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Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor in Flachbauweise mit einer Trägereinrichtung und einem Masseelement, das in mindestens einer Richtung federnd auslenkbar an der Trägereinrichtung befestigt ist und zum Detektieren der Auslenkung über mindestens eine piezoresistive Detektionsvorrichtung an eine trägerfeste Anschlusseinrichtung gekoppelt ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Beschleunigungssensor ist bekannt. Ein Masseelement ist mittels eines Biegebalkens an einer Trägereinrichtung federnd auslenkbar befestigt. Die Masse des Masseelements ruft aufgrund einer einwirkenden Beschleunigung mechanischen Stress in dem Biegebalken hervor. Dieser ist als strukturiert dotierter Biegebalken ausgebildet, sodass der Stress mittels der piezoresistiven Bauelemente an einer Stelle gemessen wird, an der ein hinreichend großer mechanischer Stress auftritt. Die Bauelemente werden üblicherweise in einer Vollbrückenschaltung verschaltet, mittels der die den Stress (Druck beziehungsweise Zug) verursachende Beschleunigung ermittelt wird.
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Die
DE 10 2006 002 114 A1 beschreibt ein als Beschleunigungssensor einsetzbares Sensorelement, bei dem in einer Schichtebene ein als „seismische Masse” wirkendes Masseelement über mindestens einen Verbindungssteg mit einem Rahmen federnd verbunden ist, wobei im Bereich des Verbindungsstegs Piezowiderstände zur Detektion einer Deformation ausgebildet sind. Zusätzlich ist das Masseelement noch über eine Membran mit dem Rahmen verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der mittels Standardprozessen einfach herstellbar ist und eine hohe Empfindlichkeit bei kleiner Baugröße aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Masseelement in einer ersten Schichtebene, die Trägereinrichtung in einer zweiten Schichtebene und die piezoresistive Detektionsvorrichtung in einer unmittelbar zwischen der ersten und der zweiten Schichtebene liegenden Zwischenschichtebene des Sensors angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor ist somit ein Beschleunigungssensor in Schichtbauweise. Ein derartiger Beschleunigungssensor weist eine sehr kleine Grundfläche auf, da durch die separaten Schichtebenen eine relativ große (träge) Masse des Masseelements bei hoher elektrischer Empfindlichkeit realisiert werden kann. Die große Masse führt zu hoher mechanischer Empfindlichkeit und niedrigem thermomechanischen Rauschen, wobei gleichzeitig die Realisierung der mindestens einen piezoresistiven Detektionsvorrichtung mit dem mindestens einen piezoresistiven Bauelement (der mindestens einen piezoresistiven Struktur) in der Zwischenschichtebene eine hohe elektrische Empfindlichkeit ermöglicht. Allgemein kann die (Detektions-)Richtung eine Richtung in der Schichtebene des Masseelements oder eine Richtung senkrecht auf der Schichtebene Schichtebene des Masseelements sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Richtung eine in der Schichtebene des Masseelements liegende Richtung ist. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist unter einem „Bauelement” nicht unbedingt ein separates/separierbares Element zu verstehen. Bei dem Bauelement kann es sich auch um einen Teilbereich oder eine Struktur einer größeren Einheit – hier insbesondere der Detektionsvorrichtung – handeln.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor als mikromechanische Sensoreinrichtung ausgebildet ist, die Strukturen mit einer Ausdehnung von wenigen Mikrometern bis mehreren hundert Mikrometern (μm) aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die piezoresistive Detektionsvorrichtung eine Dicke aufweist, die weniger als ein Viertel der Schichtdicke D1 der ersten Schichtebene beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke der piezoresistive Detektionsvorrichtung ein Achtel oder weniger als ein Achtel der Schichtdicke D1 der ersten Schichtebene. Dabei weist die Zwischenschichtebene bevorzugt eine Schichtdicke D2 auf, die zweidrittel der Schichtdicke D1 der ersten Schichtebene oder weniger als zweidrittel der Schichtdicke D1 der ersten Schichtebene beträgt (D2 ≤ 2/3D1). Die Schichtdicken D1, D2 liegen in einem Bereich von mehreren Mikrometern bis einigen hundert Mikrometern (μm).
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Masseelement in einer die erste Schichtebene bestimmenden ersten Funktionsschicht und die mindestens eine piezoresistive Detektionsvorrichtung in einer die Zwischenschichtebene bestimmenden zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei die zweite Funktionsschicht insbesondere von der ersten Funktionsschicht und/oder der als Trägerschicht (Substratschicht) ausgebildeten Trägereinrichtung elektrisch isoliert ist. Die erste Funktionsschicht wird dabei vorwiegend für die Darstellung des Masseelements (der seismischen Masse) genutzt, die zweite, zwischen der ersten Funktionsschicht und der Trägerschicht (Substratschicht) befindliche und von diesen Schichten elektrisch isolierbare Funktionsschicht, dient dazu, die piezoresistive Detektionsvorrichtung zu realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Masseelement mittels mindestens eines Federelements auslenkbar an der Trägereinrichtung befestigt ist. Dieses Federelement oder diese Federelemente geben zusammen mit der piezoresistiven Detektionsvorrichtung die Richtung der Auslenkbarkeit beziehungsweise Detektionsrichtung vor. Das Federelement ist vorzugsweise auch in der ersten Schichtebene angeordnet, um mögliche Querempfindlichkeit in der Richtung senkrecht auf den Schichtebenen (Z-Richtung) zu verringern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Masseelement einen quer zu der Richtung herausragenden Fortsatz aufweist, an dem die piezoresistive Detektionsvorrichtung bzw. piezoresistive Bauelement befestigt ist. Dieser Fortsatz dient als Hebelarm des Masseelements zur Erhöhung des detektierbaren Drucks und/oder Zugs.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das mindestens eine piezoresistive Bauelement der Detektionsvorrichtung quer zu der Richtung ausgerichtet ist, in der das Masseelement bezüglich der Trägereinrichtung auslenkbar gelagert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die piezoresistive Detektionsvorrichtung ein Bauelemente-Paar mit zwei piezoresistiven Bauelementen aufweist, die derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung des Masseelements das eine der piezoresistiven Bauelemente gedehnt und das jeweils andere der piezoresistive Bauelemente entsprechend gestaucht wird. Mittels dieser Maßnahme wird ein nahezu vollständig querempfindlichkeitskompensierter Sensor realisiert, da bei entsprechender differenzieller Verschaltung nur die Detektionsrichtung (Sensierrichtung) zu einer Dehnung des einen piezoresistiven Bauelements und zu einer Stauchung des anderen piezoresistiven Bauelements, und damit zur Signaländerung führt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Sensor weiterhin mindestens ein resistives Bauelement aufweist, wobei die beiden piezoresistiven Bauelemente und das resistive Bauelement T-förmig elektrisch miteinander verschaltet sind.
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Insbesondere erfolgt die Verschaltung der Bauelemente in einer Brückenschaltung. Diese kann als Vollbrücke oder Halbbrücke ausgebildet sein. Eine typische Brückenschaltung ist zum Beispiel die Wheatstonesche Brückenschaltung.
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Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das resistive Bauelement von dem Masseelement und dem Federelement gebildet oder zumindest mitgebildet wird. Dadurch wird die Anzahl der Bauteile des Sensors reduziert.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: einen Beschleunigungssensor mit piezoresistiver Detektionsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Aufsicht,
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2: eine schematische Darstellung der Verschaltung der Bauelemente der piezoresistiven Detektionsvorrichtung,
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3: die piezoresistive Detektionsvorrichtung der 1 in einer Detaildarstellung und
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4: eine Schnittdarstellung durch die Schichtebenen des in 3 dargestellten Bereichs.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Beschleunigungssensor 10 in Schichtbauweise mit einem Masseelement 12, das mittels Federelementen 14 in mindestens einer Richtung (Doppelpfeil 16) federnd auslenkbar an Fixpunkten 18 einer in 4 gezeigten Trägereinrichtung 20 befestigt ist. Das Masseelement 12 weist einen quer zu der Richtung herausragenden (insbesondere einen senkrecht zu der Richtung verlaufenden) Fortsatz 22 auf, an dem eine piezoresistive Detektionsvorrichtung 24 befestigt ist. Diese Detektionsvorrichtung 24 weist drei in einer Ebene parallele zueinander ausgerichtete Bauelemente 26, 28, 30 auf, die den Fortsatz 22 des Masseelements 12 mit einer trägereinrichtungsfesten Anschlusseinrichtung 32 verbindet. Dabei sind die beiden äußeren Bauelemente 26, 30 als im wesentlichen gleich aufgebaute piezoresistive Bauelemente 26, 30 und das mittlere Bauelement 28 als resistives Bauelement mit fester Resistivität ausgebildet. Die 2 und 3 zeigen die Verschaltung dieser Bauelemente 26, 28, 30 in der piezoresistive Detektionsvorrichtung 24.
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Die 2 zeigt die Verschaltung der Bauelemente 26, 28, 30 in der Detektionsvorrichtung 24. Die beiden piezoresistiven Bauelemente 26, 30 sind in einem gemeinsamen Strompfad 34 in Serie verschaltet. Jedes der beiden Enden des Strompfades 34 weist ein in oder an der Anschlusseinrichtung 32 angeordnetes Anschlusselement 36, 38 auf. Der Strompfad 34 weist weiterhin zwischen den beiden piezoresistiven Bauelementen 26, 30 einen Knotenpunkt 40 auf, von dem ein weiterer Strompfad 42 abgeht, in dem das resistive Bauelement 28 angeordnet ist. An einem dem Knotenpunkt 40 gegenüberliegenden Ende des weiteren Strompfades 42 ist ein weiteres Anschlusselement 44 angeordnet. Somit sind die piezoresistiven Bauelemente 26, 30 und das resistive Bauelement 28 elektrisch „T-förmig” miteinander verschaltet.
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Es ergibt sich folgende Funktion des Beschleunigungssensors 10: Die in 2 gezeigte T-förmige Schaltungsanordnung der Detektionsvorrichtung 24 lässt sich zu einer Teil- oder Vollbrücke (z. B. Wheatstoneschen Brückenschaltung) ergänzen, mittels derer sich eine differenzielle Widerstandsänderung des die beiden piezoresistiven Bauelemente (bzw. piezoresistiven Strukturen) 26, 30 aufweisenden Bauelementepaars detektieren lässt. Diese beiden piezoresistiven Bauelemente 26, 30 sind am Fortsatz 22 so angeordnet, dass bei einer Auslenkung des Masseelements 12 aufgrund der Beschleunigung a das eine piezoresistive Bauelement 26, 30 gedehnt und das andere piezoresistive Bauelement 30, 26 entsprechend gestaucht wird.
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Mittels dieser Maßnahme wird ein nahezu querempfindlichkeitskompensierter Sensor 10 realisiert, da bei der entsprechenden differenziellen Verschaltung nur die Detektionsrichtung (Doppelpfeil 16) zu einer Stauchung oder Dehnung des einen der piezoresistiven Bauelemente 26, 30 und zu einer Dehnung oder Stauchung des anderen der piezoresistiven Bauelemente 30, 26 und damit zur Signaländerung führt. Sind die piezoresistiven Bauelemente 26, 30 untereinander also parallel zu den in 4 gezeigten Schichtebenen 46, 48, 50 angeordnet, so ist der Sensor 10 auch in diesen Ebenen sensitiv.
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Die 3 zeigt eine Detaildarstellung des Fortsatzes 22 des Masseelements 12, der Anschlusseinrichtung 32 und der Bauelemente 26, 28, 30 des Beschleunigungssensors 10 der 1 im Bereich der piezoresistiven Detektionsvorrichtung 24. Die Ausrichtung der Bauelemente 26, 28, 30 ist parallel zu der Achse 52, die ihrerseits senkrecht zur Richtung (Doppelpfeil 16) der Auslenkbarkeit des Masseelements 12 innerhalb des Sensors 10 ist. In Ausrichtung der Achse 52 erstreckt sich auch der als Hebelarm wirkende Fortsatz 22 des Masseelements 12.
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Die 4 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Schichtebenen 46, 48, 50 des in 3 dargestellten Bereichs auf Höhe der Achse 52. Das Masseelement 12 und die Anschlusseinrichtung 32 sind in einer ersten Funktionsschicht angeordnet, die die erste Schichtebene 46 bestimmt. Die mindestens eine piezoresistive Detektionsvorrichtung 24 ist in einer zweiten Funktionsschicht angeordnet, die die Dicke D2 der Zwischenschichtebene 50 bestimmt. Die piezoresistive Detektionsvorrichtung 24 weist eine Dicke auf, die ein Zehntel der Schichtdicke D1 der ersten Schichtebene 46 beträgt. Die Schichtdicke D2 der Zwischenschichtebene 50 beträgt zweidrittel der Schichtdicke D1 der ersten Schichtebene 46 oder weniger als zweidrittel der Schichtdicke D1 der ersten Schichtebene 46 (D2 ≤ 2/3D1).
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Die piezoresistive Detektionsvorrichtung 24 ist im Bereich des Knotenpunkts 40 in einem Abschlussbereich des Fortsatzes 22 mit dessen Unterseite verbunden. Die Anschlusselemente 36, 38, 44 befinden sich im Bereich der trägerfesten Anschlusseinrichtung 32. Eine Kontaktierung erfolgt über die erste Schichtebene, die zweite Schichtebene oder die dritte Schichtebene.
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Neben der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform des Beschleunigungssensors 10 sind folgende Varianten möglich:
- • Die piezoresistiven Bauelemente (Piezowiderstände) 26, 30 sind einander gegenüberliegend seitlich am Fortsatz (Hebelarm) 22 angeordnet und befestigt. In dieser Konfiguration sind die piezoresistiven Bauelemente mit ihrer sensitiven Achse insbesondere parallel zur Richtung der Auslenkung (Doppelpfeil 16) ausgerichtet.
- • Ein differenzieller Aufbau mit insgesamt vier resistiven/piezoresistiven Bauelementen ermöglicht eine Verschaltung zur Vollbrücke.
- • Das als zentraler Rückleitungswiderstand wirkende resistive Bauelement 28 kann optional auch in der ersten Schichtebene 46 angeordnet bzw. durch diese Schicht ersetzt werden.
- • Die Verbindung zwischen den Bauelementen und den zugehörigen elektrischen Anschlusselementen (Anschlüssen) 36, 38, 44 kann wahlweise in der Zwischenschichtebene 48, in der ersten Schichtebene 46 oder der zweiten Schichtebene 48 ausgeführt sein.
- • Eine passende Dotierung der für die piezoresistiven Bauelemente 26, 30 verwendeten zweiten Funktionsschicht erhöht die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 10.
- • Als resistives Bauelement 28 (Rückleitung) kann alternativ auch das Masseelement 12 verwendet werden, das wiederum über die Federelemente 14 und die Substratanbindung 18 den elektrischen Kontakt herstellt. Bei einem galvanisch getrennten Masseelement 12 (z. B. durch Trenchen) können die beiden piezoresistiven Bauelemente 26, 30 auch getrennt voneinander ausgewertet werden. Dabei dienen die Substratanbindungen (Fixpunkte) 18 als jeweilige elektrische Kontakte.
- • Bei anderer Verschaltung (Summenbildung zwischen den piezoresistiven Bauelementen 26, 30 können mit einem Paddelaufbau auch Beschleunigungen in z-Richtung (senkrecht zu den Schichtebenen 46, 48, 50) detektiert werden. Multiplexen zwischen in-Plane (x/y) und out-of-plane Detektion ist durch Umschaltung möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006002114 A1 [0003]
