DE102010028962A1

DE102010028962A1 - Mikromechanischer Sensor und zugehöriges Messverfahren

Info

Publication number: DE102010028962A1
Application number: DE201010028962
Authority: DE
Inventors: Daniel Christoph Meisel; Manuel Engesser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-11-17
Also published as: FR2960064A1; CN102288787A; FR2960064B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen mikromechanischen Sensor umfassend zumindest ein Substrat und eine über mindestens einen Torsionsbalken (12) an dem Substrat aufgehängte seismische Masse (11) zum Messen einer auf die seismische Masse (11) einwirkenden physikalischen Größe, wobei das gesamte Volumen zumindest des mindestens einen Torsionsbalkens (12) zum Ausbilden eines piezoresistiven Materials dotiert ist. Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Messen einer Inertialgröße oder einer Kraft mittels eines solchen Sensors, bei dem der Betrag einer auf die seismische Masse (11) einwirkenden Inertialgröße oder Kraft durch Erfassen einer Änderung des elektrischen Widerstandes des mindestens einen Torsionsbalkens (12) ermittelt wird, wobei der gesamte Querschnitt des Torsionsbalkens (12) zum Erfassen der Widerstandsänderung herangezogen wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor mit einer über mindestens einen Torsionsbalken an einem Substrat aufgehängten seismischen Masse und ein Verfahren zum Messen einer Inertialgröße oder einer Kraft mittels eines solchen Sensors.
Aus der DE 10 2008 017 156 A1 ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor bekannt, der zumindest ein Substrat, einen oder mehrere Rahmen, von denen wenigstens ein erster Rahmen mittels zumindest eines Federelements direkt oder indirekt am Substrat aufgehängt ist und bei Einwirkung zumindest einer ersten Beschleunigung gegenüber dem Substrat ausgelenkt wird, und zumindest eine erste seismische Masse, welche mittels wenigstens eines Federelements an dem ersten oder einem zusätzlichen Rahmen aufgehängt ist und bei Einwirkung einer, insbesondere von der ersten Beschleunigung verschiedenen, Beschleunigung gegenüber diesem Rahmen ausgelenkt wird. Zum Erfassen der Beschleunigungen weisen die Federelemente insbesondere piezoresistive Bereiche auf, die durch Dotierung der entsprechenden Oberflächen der Federelemente ausgebildet sind.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor gemäß Anspruch 1 und das zugehörige Messverfahren gemäß Anspruch 9 ermöglichen eine weitergehende Miniaturisierung von piezoresistiven Sensoren.
Die Erfindung beruht auf der Verwendung von piezoresistivem Volumenmaterial, wodurch auf das gezielte Einbringen von dotierten Bereichen verzichtet werden kann. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Betrag und Vorzeichen einer zu messenden physikalischen Größe getrennt voneinander ermittelt werden können. Zur Bestimmung des Betrages der zu messenden Größe lässt sich eine an mindestens einem Torsionsbalken aufgehängte seismische Masse verwenden. Eine auf die seismische Masse einwirkende physikalische Größe führt zu einer Torsion des Torsionsbalkens und bewirkt über den piezoresistiven Effekt eine Änderung des elektrischen Widerstandes des Torsionsbalkens. Dabei kann das gesamte Volumen des Torsionsbalkens für die Messung herangezogen werden, so dass das gesamte Volumen des Torsionsbalkens zum Ausbilden von piezoresistivem Material dotiert werden kann. Dadurch kann eine weitere Substrukturierung der Sensoranordnung, die mit dem gezielten Einbringen von dotierten Bereichen verbunden wäre, entfallen, so dass kleinere Abmessungen möglich werden.
Insbesondere für so genannte z-Sensoren, die eine senkrecht zu ihrer Ebene gerichtete Beschleunigung erfassen, ist die Erfindung vorteilhaft anwendbar. Hier ist nämlich die Schwierigkeit zu überwinden, dass eine Aufhängung der seismischen Masse, die in der gleichen Ebene liegt wie die seismische Masse, bei Einwirkung einer z-Beschleunigung auf die seismische Masse nicht einfach auf Zug oder Druck beansprucht wird, weshalb es nicht ohne Weiteres möglich ist, das gesamte Volumen der Aufhängung zum Ermitteln der mechanischen Spannung über den piezoresistiven Effekt zu verwenden. Damit eine z-Beschleunigung eine Bewegung der seismischen Masse um eine Torsionsachse des mindestens einen Torsionsbalkens und somit eine Torsion des Torsionsbalkens bewirkt, muss der Schwerpunkt der seismischen Masse außerhalb der Torsionsachse liegen. Vorzugsweise befindet sich die gesamte seismische Masse auf einer Seite der Torsionsachse.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandens der Erfindung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Vorzeichen der auf die seismische Masse einwirkenden Größe durch das Vorsehen mindestens eines zusätzlichen Biegebalkens ermöglicht. Der mindestens eine Biegebalken ist so angeordnet, dass eine Bewegung der seismischen Masse durch Einwirken der zu messenden Größe entweder eine Stauchung oder eine Dehnung des Biegebalkens zur Folge hat. Auf diese Weise kann das gesamte Volumen des mindestens einen Biegebalkens piezoresistives Material umfassen, um über den elektrischen Widerstand das Vorzeichen der zu messenden Größe zu bestimmen.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Torsionsbalken, an dem die seismische Masse aufgehängt ist, vorgespannt, um eine Bestimmung des Vorzeichens der zu messenden physikalischen Größe zu ermöglichen. Der gemessene Wert des elektrischen Widerstandes setzt sich dann aus dem der Vorspannung entsprechenden Wert und der durch die zu messende Größe verursachten Widerstandsänderung zusammen. Durch Vergleich des gemessenen Widerstandswertes mit dem der Vorspannung entsprechenden Widerstandswert lassen sich Betrag und Vorzeichen der zu messenden Größe bestimmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors in Draufsicht;
2 das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors in einer Seitenansicht;
3 das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors in einer perspektivischen Darstellung;
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors in perspektivischer Darstellung;
5 den Stromfluss im ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors;
6 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors in Draufsicht; und
7 das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors in einer Seitenansicht.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1 ist eine schematische Darstellung eines Sensors 10 zum Erfassen einer z-Beschleunigung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von oben gesehen.
Der Sensor 10 umfasst eine seismische Masse 11 in Form einer Platte, die über zwei Torsionsbalken 12 mit Substrataufhängungen 13 verbunden ist. Die beiden Torsionsbalken 12 haben die gleichen Abmessungen und erstrecken sich entlang einer gemeinsamen Torsionsachse, die sich auf einer Querseite der Platte 11 befindet, so dass der Schwerpunkt der seismischen Masse 11 außerhalb der Torsionsachse liegt, und senkrecht zu den beiden Längsseiten der Platte 11 verläuft, von der Masse 11 weg. Die Anordnung ließe sich umgekehrt auch als ein Torsionsbalken 12 betrachten, von dessen mittlerem Bereich die seismische Masse 11 in rechtem Winkel absteht. Die Torsionsbalken 12 sind so ausgestaltet, dass sie möglichst biegesteif in x-, y- und z-Richtung, aber torsionsweich entlang der Torsionsachse sind. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Beschleunigungen in x- oder y-Richtung gering gehalten.
Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Sensor 10 außerdem zwei Biegebalken 14 auf, über die die seismische Masse 11 mit Substrataufhängungen 15 verbunden ist. Es ist aber auch denkbar, nur einen oder mehr als zwei Biegebalken zu verwenden. Beide Biegebalken 14 erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zu der Torsionsachse. Die Substrataufhängungen 13 und 15 sind ihrerseits in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Substrat verankert.
2 ist eine schematische Darstellung des Sensors 10 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung von der Seite gesehen.
Aus 2 ist zu erkennen, dass die Biegebalken 14 sich in einer Ruhelage des Sensors 10 parallel zur Ausdehnungsrichtung der Platte 11 erstrecken. Insbesondere ist die Unterseite der Biegebalken 14 koplanar mit der Unterseite der Platte 11. Die Balken 14 sind außerdem wesentlich dünner als die Platte 11, so dass ein Bereich, in dem sie mit der Platte 11 verbunden sind, unterhalb der Torsionsachse, um die die seismische Masse 11 bewegbar ist, liegt. Die Biegebalken 14 könnten auch tiefer angeordnet sein, so dass die Oberseite der Balken an die Unterseite der Platte 11 angrenzt.
3 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Sensors 10 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Aus 3 ist die relative Anordnung der seismischen Masse 11 und der Balken 12 und 14 noch genauer zu erkennen. Die Torsionsbalken 12 sind quaderförmig und so angeordnet, dass ihre jeweils von der seismischen Masse 11 abgewandte Längsseite im Wesentlichen koplanar mit der den Torsionsbalken 12 zugewandten Seite der seismischen Masse 11 ist. Außerdem entspricht die Höhe der Torsionsbalken 12 der Dicke der Platte 11, so dass die Ober- und die Unterseiten der Torsionsbalken 12 jeweils in einer Ebene mit der Ober- und der Unterseite der Platte 11 liegen.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die seismische Masse 11 und die Torsionsbalken 12 aus einer Schicht von epitaktisch gewachsenem polykristallinem Silizium hergestellt, welche vorzugsweise zwischen 10 und 20 μm dick ist. Die Biegebalken 14 werden aus einer zweiten Schicht von polykristallinem Silizium gefertigt, welche vorzugsweise zwischen 500 nm und 2 μm dick ist. Auf diese Weise können die beiden Schichten unabhängig voneinander strukturiert werden. Beide Schichten können beim Erzeugen eines piezoresistiven Materials homogen dotiert werden, was die Herstellung besonders einfach macht. Man kann aber auch nur die Balken 12 und 14 dotieren.
4 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Sensors 10' gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Sensor 10' unterscheidet sich von dem Sensor 10 durch die Lage der Biegebalken 14'. Die Anordnung der seismischen Masse 11 und der Torsionsbalken 12 entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dagegen liegen bei dem Sensor 10' die Biegebalken 14' nicht in einer Ebene mit der Platte 11, sondern stehen senkrecht darauf. Auf diese Weise führt eine Beschleunigung der seismischen Masse 11 in z-Richtung direkt zu einer Stauchung oder Dehnung der Biegebalken 14'.
Anhand von 5 soll nun die Funktionsweise der beiden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors anhand des Sensors 10 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert werden. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Sensor 10 in schematischer Form, wobei die Strompfade eingezeichnet sind.
In 5 deuten die mit I1 bezeichneten Pfeile den Stromfluss durch die Torsionsbalken 12 an, während die mit I2 bezeichneten Pfeile den Stromfluss durch die Biegebalken 14 anzeigen. Erfährt die seismische Masse 11 eine Beschleunigung in z-Richtung, das heißt in einer Richtung senkrecht zu ihrer Ausdehnungsrichtung, resultiert daraus ein Drehmoment um die Torsionsachse, da der Schwerpunkt der Masse 11 außerhalb der Torsionsachse liegt. Dadurch werden die Balken 12 tordiert, was zu inneren mechanischen Spannungen führt, die eine Änderung des elektrischen Widerstandes zur Folge haben. Da eine Torsion unabhängig von der Richtung immer eine Schubspannung bewirkt, gibt der über den Strompfad I1 gemessene Wert des elektrischen Widerstandes Auskunft über den Betrag der z-Beschleunigung. Um außerdem das Vorzeichen der z-Beschleunigung ermitteln zu können, wird außerdem über den Strompfad I2 der elektrische Widerstand der Biegebalken 14 erfasst, die durch eine Bewegung der seismischen Masse 11 gestaucht oder gedehnt werden. Durch Zeitmultiplex kann dann abwechselnd der Betrag und das Vorzeichen der z-Beschleunigung erfasst werden.
6 ist eine schematische Darstellung eines Sensors 20 zum Erfassen einer z-Beschleunigung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von oben gesehen.
Der Sensor 20 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von den Sensoren 10 und 10' dadurch, dass er keine Biegebalken benötigt. Er umfasst aber ebenfalls eine seismische Masse 21 in Form einer Platte, die über zwei Torsionsbalken 22 mit Substrataufhängungen 23 verbunden ist. Der prinzipielle Aufbau der seismischen Masse 21 und der Torsionsbalken 22 entspricht denen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele.
7 ist eine schematische Darstellung des Sensors 20 gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung von der Seite gesehen.
Aus 7 ist zu erkennen, dass die seismische Masse 21 bereits im Ruhezustand eine Auslenkung aufweist, die mit einer Vorspannung der Balken 22 einhergeht. Diese Vorspannung der Balken 22 dient dazu, das Vorzeichen einer auf die Masse 21 wirkenden z-Beschleunigung zu ermitteln. Bei vorgespannten Torsionsbalken 22 nimmt die mechanische Spannung bei Auslenkung in die Richtung, in die die seismische Masse 21 vorausgelenkt ist, zu und bei Auslenkung in die andere Richtung ab. Indem man bei einer Messung des elektrischen Widerstandes der Torsionsbalken 22, wofür eine Spannung an die Substrataufhängungen 23 angelegt wird, von dem gemessenen Wert den Versatz, der dem durch die Vorspannung erzeugten elektrischen Widerstand entspricht, abzieht, kann gleichzeitig das Vorzeichen und der Betrag der z-Beschleunigung gemessen werden. Dabei beschränkt sich der Messbereich in der der Vorauslenkung entgegengesetzten Richtung bis zu dem Punkt, an dem die mechanische Spannung verschwindet.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand eines z-Beschleunigungssensors beschrieben. Sie lässt sich aber auch auf andere Sensoren, beispielsweise Drehratensensoren oder Kraftsensensoren anwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008017156 A1 [0002]

Claims

Mikromechanischer Sensor umfassend zumindest ein Substrat und eine über mindestens einen Torsionsbalken (12) an dem Substrat aufgehängte seismische Masse (11) zum Messen einer auf die seismische Masse (11) einwirkenden physikalischen Größe, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Volumen zumindest des mindestens einen Torsionsbalkens (12) zum Ausbilden eines piezoresistiven Materials dotiert ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) dazu ausgebildet ist, eine Inertialgröße, insbesondere eine z-Beschleunigung, zu messen.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (11) und der mindestens eine Torsionsbalken (12) aus Silizium gebildet sind und zumindest der mindestens eine Torsionsbalken (12) homogen dotiert ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) so ausgebildet ist, dass eine Änderung des elektrischen Widerstandes des mindestens einen Torsionsbalkens (12) ein Maß für den Betrag der zu messenden Größe darstellt.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) außerdem mindestens einen Biegebalken (14) zum Ermitteln eines Vorzeichens der zu messenden Größe umfasst, wobei der Biegebalken (14) so angeordnet ist, dass er bei einer Bewegung der seismischen Masse (11) gestaucht oder gedehnt wird.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Biegebalken (14) in einer Ebene liegt, die parallel zur Ausdehnung der seismischen Masse (11) in ihrer Ruhelage und beabstandet zu einer Torsionsachse des mindestens einen Torsionsbalkens (12) ist, wobei sich der Biegebalken (14) in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Torsionsachse erstreckt.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) genau zwei Biegebalken (14) umfasst, die parallel zueinander angeordnet sind.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Torsionsbalken zur Bestimmung eines Vorzeichens der zu messenden Größe vorgespannt ist.
Verfahren zum Messen einer Inertialgröße oder einer Kraft mittels eines mikromechanischen Sensors (10), bei dem eine seismische Masse (11) mittels mindestens eines Torsionsbalkens (12) an einem Substrat aufgehängt ist, mit folgendem Schritt: Ermitteln des Betrages einer auf die seismische Masse (11) einwirkenden Intertialgröße oder Kraft durch Erfassen einer Änderung des elektrischen Widerstandes des mindestens einen Torsionsbalkens (12), wobei der gesamte Querschnitt des Torsionsbalkens (12) zum Erfassen der Widerstandsänderung heranzgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Sensor (10) zusätzlich zumindest einen Biegebalken (14) aufweist, der so angeordnet ist, dass der Biegebalken (14) bei einer Bewegung der seismischen Masse (11) gestaucht oder gedehnt wird und das Vorzeichen der Inertialgröße oder Kraft durch Erfassen einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Biegebalkens (14) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei mittels Zeitmultiplex abwechselnd der Betrag und das Vorzeichen der Inertialgröße oder Kraft erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Torsionsbalken (12) vorgespannt ist und zum Ermitteln des Betrages und des Vorzeichens der auf die seismische Masse (11) einwirkenden Inertialgröße oder Kraft der Messwert des elektrischen Widerstandes des mindestens einen Torsionsbalkens (12) mit dem der Vorspannung entsprechenden Widerstandswert verglichen wird.