DE102010063471B4 - Mikroelektromechanisches Element - Google Patents

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Abstract

Mikroelektromechanisches Element, umfassendein Substrat (1) und zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren (2, 3),wobei das Substrat (1) und die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) übereinander gestapelt angeordnet sind und wobei die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) auf derselben Seite des Substrats (1) angeordnet sind,wobei ein erster der mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) als ein Magnetfeldsensor (2) in einer ersten Schicht (11) oberhalb des Substrats (1) ausgebildet ist,wobei ein zweiter der mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) als ein Drehratensensor (3) in einer zweiten Schicht (12) oberhalb der ersten Schicht (11) ausgebildet ist,wobei der Magnetfeldsensor (2) eine erste Mehrzahl von seismischen Massen (7a, 7b) aufweist, die mittels Federelementen (4, 6) schwingfähig an ersten Aufhängungen (5) angeordnet und miteinander verbunden sind und die als erste Elektroden ausgebildet und zur Messung des Magnetfeldes von einem Strom durchströmbar sind,wobei bei Vorliegen eines Magnetfeldes eine Lorenzkraft auf die Elektroden wirkt, welche zu einer Auslenkung der ersten Elektroden aus der ersten Schicht (11) führt,wobei die Auslenkung mittels erster Gegenelektroden unterhalb der ersten Schicht (11) kapazitiv erfassbar ist,wobei der Drehratensensor (3) eine zweite Mehrzahl von seismischen Massen (8a, 8b) aufweist, die mittels Federelementen (4, 6) schwingfähig an zweiten Aufhängungen (5) angeordnet und miteinander verbunden sind und die als zweite Elektroden ausgebildet und zur Messung der Drehrate mit einer Spannung beaufschlagbar sind,wobei bei Vorliegen einer Coriolis-Beschleunigung und/oder einer sonstigen Beschleunigung senkrecht zur Schwingungsebene eine Trägheitskraft auf die zweiten Elektroden wirkt, die zu einer Auslenkung der zweiten Elektroden aus der zweiten Schicht (12) führt,wobei die Auslenkung mittels zweiter Gegenelektroden (C) oberhalb der zweiten Schicht (12) kapazitiv erfassbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Element mit mindestens zwei mikromechanischen Sensoren.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2010 000 729 A1 ist ein mikromechanisches Element mit einem Substrat und zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren bekannt.
  • Das Substrat und die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren sind übereinander gestapelt angeordnet und befinden sich auf derselben Seite des Substrats.
  • Mikroelektromechanische Elemente werden auf vielen Gebieten der Technik eingesetzt, unter anderem in der Automobiltechnik. Aus der US 2007/0214887 A1 ist beispielsweise ein mikroelektromechanisches Element in Form eines Bewegungssensors bekannt geworden. Der Bewegungssensor umfasst ein Substrat, auf dem ein mikroelektromechanischer Beschleunigungssensor und ein magnetoresistiver Schaltkreis angeordnet sind. Der magnetoresistive Schaltkreis sowie der Beschleunigungssensor befinden sich auf unterschiedlichen Seiten des Substrats. Mittels einer Durchkontaktierung und entsprechenden Kontaktflächen, sogenannten Bondpads, wird eine Kontaktierung des magnetoresistiven Schaltkreises als auch des Beschleunigungssensors bereitgestellt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das in Anspruch 1 definierte mikroelektromechanische Element gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat und zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren, wobei das Substrat und die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren übereinander gestapelt angeordnet sind und wobei zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren auf derselben Seite des Substrats angeordnet sind.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das in Anspruch 1 definierte mikroelektromechanische Element weist den Vorteil auf, dass damit ein mikroelektromechanisches Element zur Verfügung gestellt wird, welches den Flächenbedarf für die Anordnung von mikroelektromechanischen Sensoren auf einem Substrat wesentlich senkt. Dies erhöht auch die Flexibilität eines solchen mikroelektromechanischen Elementes, da weitere oder eine größere Anzahl von mikroelektromechanischen Sensoren auf dem Substrat angeordnet werden können.
  • Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des beschriebenen Gegenstandes der Erfindung.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest ein dritter mikroelektromechanischer Sensor auf einer den zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Auf diese Weise kann die Integrationsdichte der mikroelektromechanischen Sensoren auf dem Substrat durch Anordnung weiterer Sensoren auf der Rückseite des Substrats noch weiter vergrößert werden, was die Kosten insgesamt senkt und die Flexibilität des mikroelektromechanischen Elements erhöht.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren mechanisch gekoppelt angeordnet. Auf diese Weise sind feste Frequenzverhältnisse zwischen den beiden mikroelektromechanischen Sensoren möglich, so dass eine Auswerteschaltung die mikroelektromechanischen Sensoren auf einfache Weise ansteuern bzw. deren Signale auswerten kann. Eine mechanische Kopplung kann dabei beispielsweise im Falle eines Magnetfeldsensors und eines Drehratensensors dadurch erfolgen, indem die seismischen Massen des einen mikroelektromechanischen Sensors mit Elektroden des anderen mikroelektromechanischen Sensors oder die jeweiligen seitlichen Aufhängungen miteinander mechanisch federnd mittels eines Federelementes verbunden sind.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Auswerteschaltung angeordnet, welche Signale der zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren auswertet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit die Integration noch weiter gesteigert werden kann und gleichzeitig eine einfache und kostengünstige Auswertung ermöglicht wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die zumindest eine Auswerteschaltung ausgebildet, um die Signale der mikroelektromechanischen Sensoren gleichzeitig oder zeitlich nacheinander auszuwerten. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Auswertung von Signalen der mikroelektromechanischen Sensoren möglich. Im Fälle einer gleichzeitigen Auswertung wird jedem Sensor eine eigene Auswerteschaltung zugeordnet, im Falle einer Auswertung zeitlich nacheinander, also beispielsweise im Zeitmultiplex, wird in Abhängigkeit von der Zeit jeder Sensor abgefragt bzw. dessen Signale aufgenommen und ausgewertet.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die mikroelektromechanischen Sensoren mechanisch miteinander gekoppelt. Auf diese Weise werden feste Frequenzverhältnisse ermöglicht, so dass eine Auswerteschaltung, insbesondere ein ASIC, Signale aller mikroelektromechanischer Sensoren auf besonders einfache Weise auswerten kann.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1a Prinzipschaubild eines mikroelektromechanischen Elementes gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt.
    • 1 b ein mikroelektromechanisches Element gemäß 1a in dreidimensionaler Ansicht.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1a zeigt ein Prinzipschaubild eines mikroelektromechanischen Elementes gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt. In 1a ist eine schematische Darstellung eines mikroelektromechanischen Elementes gezeigt. Das mikroelektromechanische Element umfasst ein Substrat 1. Auf dem Substrat 1, welches im Wesentlichen in einer ersten Ebene oder Schicht 10 angeordnet ist, ist ein Magnetfeldsensor 2 in einer zweiten Schicht 11 angeordnet. Die seismischen Massen 7a, 7b, die mittels Federelementen 6 schwingfähig an Aufhängungen 5 angeordnet sind, werden zur Messung des Magnetfeldes von einem Strom durchflossen. Die seismischen Massen 7a, 7b sind in den 1a und 1b als Elektroden 7a, 7b ausgebildet. Bei Vorliegen eines Magnetfeldes wirkt eine Lorenzkraft auf die Elektroden 7a, 7b, welche zu einer senkrechten Auslenkung der Elektroden 7a, 7b aus der Schicht 11 führen. Diese Auslenkung wird kapazitiv erfasst, beispielsweise mittels Gegenelektroden (nicht gezeigt) unterhalb der Schicht 11, und anhand dieser die Stärke des Magnetfeldes bestimmt.
  • Darüber ist in einer weiteren Schicht 12 ein Drehratensensor 3 angeordnet. Der Drehratensensor 3 umfasst federnd aufgehängte seismische Massen 8a, 8b, die mit Aufhängungen 5 verbunden sind. Des Weiteren sind die seismischen Massen 8a, 8b über eine Feder 4 miteinander direkt verbunden. Die seismischen Massen 8a, 8b sind hierbei ebenfalls als Elektroden ausgebildet. Wirkt auf den Drehratensensor 3 eine Coriolis-Beschleunigung und/oder eine sonstige Beschleunigung senkrecht zur Schwingungsebene der seismischen Massen 8a, 8b, führt die Trägheitskraft zu einer entsprechenden Auslenkung der seismischen Massen 8a, 8b. Werden die seismischen Massen 8a, 8b zusätzlich mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, kann diese Auslenkung der seismischen Masse 8a, 8b über Elektroden C kapazitiv erfasst werden, welche gemäß 1a oberhalb der seismischen Massen 8a, 8b angeordnet sind. Anhand dieser kapazitiven Änderung kann dann auf die Coriolis-Beschleunigung und/oder eine sonstige Beschleunigung geschlossen werden. Des Weiteren ist eine Auswerteschaltung A auf der anderen Seite des Substrats 1, das heißt zu der den mikroelektromechanischen Sensoren 2, 3 abgewandten Seite des Substrats 1 angeordnet. Die Auswerteschaltung A ist mit den jeweiligen Sensoren 2,3 verbunden und wertet deren Signale im Zeitmultiplex aus. Selbstverständlich ist es möglich, für jeden mikroelektromechanischen Sensor 2, 3 eine separate Auswerteschaltung vorzusehen, sodass Signale der mikroelektromechanischen Sensoren gleichzeitig ausgewertet werden können.
  • In 1b ist im Wesentlichen ein mikroelektromechanisches Element gemäß 1a gezeigt. Im Unterschied zur 1a ist nun die Auswerteschaltung auf der gleichen Seite wie die mikroelektromechanischen Sensoren 2, 3 auf dem Substrat 1 angeordnet.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims (5)

  1. Mikroelektromechanisches Element, umfassend ein Substrat (1) und zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren (2, 3), wobei das Substrat (1) und die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) übereinander gestapelt angeordnet sind und wobei die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) auf derselben Seite des Substrats (1) angeordnet sind, wobei ein erster der mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) als ein Magnetfeldsensor (2) in einer ersten Schicht (11) oberhalb des Substrats (1) ausgebildet ist, wobei ein zweiter der mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) als ein Drehratensensor (3) in einer zweiten Schicht (12) oberhalb der ersten Schicht (11) ausgebildet ist, wobei der Magnetfeldsensor (2) eine erste Mehrzahl von seismischen Massen (7a, 7b) aufweist, die mittels Federelementen (4, 6) schwingfähig an ersten Aufhängungen (5) angeordnet und miteinander verbunden sind und die als erste Elektroden ausgebildet und zur Messung des Magnetfeldes von einem Strom durchströmbar sind, wobei bei Vorliegen eines Magnetfeldes eine Lorenzkraft auf die Elektroden wirkt, welche zu einer Auslenkung der ersten Elektroden aus der ersten Schicht (11) führt, wobei die Auslenkung mittels erster Gegenelektroden unterhalb der ersten Schicht (11) kapazitiv erfassbar ist, wobei der Drehratensensor (3) eine zweite Mehrzahl von seismischen Massen (8a, 8b) aufweist, die mittels Federelementen (4, 6) schwingfähig an zweiten Aufhängungen (5) angeordnet und miteinander verbunden sind und die als zweite Elektroden ausgebildet und zur Messung der Drehrate mit einer Spannung beaufschlagbar sind, wobei bei Vorliegen einer Coriolis-Beschleunigung und/oder einer sonstigen Beschleunigung senkrecht zur Schwingungsebene eine Trägheitskraft auf die zweiten Elektroden wirkt, die zu einer Auslenkung der zweiten Elektroden aus der zweiten Schicht (12) führt, wobei die Auslenkung mittels zweiter Gegenelektroden (C) oberhalb der zweiten Schicht (12) kapazitiv erfassbar ist.
  2. Mikroelektromechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein dritter mikroelektromechanischer Sensor (2, 3) auf einer den zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) abgewandten Seite des Substrats (1) angeordnet ist.
  3. Mikroelektromechanisches Element gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren (2, 3) mechanisch gekoppelt angeordnet sind.
  4. Mikroelektromechanisches Element gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest eine Auswerteschaltung (A) vorgesehen ist, welche Signale der zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) auswertet.
  5. Mikroelektromechanisches Element gemäß Anspruch 4, wobei die zumindest eine Auswerteschaltung (A) ausgebildet ist, um die Signale der mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) gleichzeitig oder zeitlich nacheinander auszuwerten.
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