DE102011080993A1

DE102011080993A1 - Beschleunigungssensor und Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors

Info

Publication number: DE102011080993A1
Application number: DE201110080993
Authority: DE
Inventors: Patrick Wellner; Mirko Hattass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2013-02-21

Abstract

Es wird ein Beschleunigungssensor mit einem Substrat, einer gegenüber dem Substrat aufgrund einer auf den Beschleunigungssensor einwirkenden äußeren Beschleunigungskraft entlang einer Auslenkungsrichtung auslenkbaren seismischen Masse und Detektionsmitteln zur Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Substrat vorgeschlagen, wobei die Detektionsmittel mit der seismischen Masse verbundene erste Elektroden und mit den ersten Elektroden jeweils eine elektrische Messkapazität bildende zweite Elektroden umfassen und wobei die zweiten Elektroden durch eine auf den Beschleunigungssensor einwirkende äußere Beschleunigungskraft sowohl gegenüber dem Substrat, als auch gegenüber der seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung auslenkbar ausgebildet sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 197 19 779 A1 ein Beschleunigungssensor mit einer beweglich an einem Substrat aufgehängten seismischen Masse bekannt. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors wirken auf die seismische Masse Trägheitskräfte, welche die seismische Masse relativ zum Substrat entlang einer Auslenkungsrichtung auslenken. Der Grad dieser Auslenkung wird mittels Detektionsmitteln vermessen. Die Detektionsmittel umfassen eine Kammelektrodenstruktur aus substratfesten Festelektroden und an der seismischen Masse befestigten Gegenelektroden, welche sich jeweils senkrecht zur Auslenkungsrichtung erstrecken, so dass entlang der Auslenkungsrichtung jeweils eine Gegenelektrode benachbart zu einer Festelektrode angeordnet ist. Zwischen den Gegenelektroden und Festelektroden bilden sich somit jeweils elektrische Messkapazitäten aus, deren Betrag vom jeweiligen Abstand zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden abhängt. Zur Vermessung der Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Substrat werden die Änderungen der elektrischen Messkapazitäten zwischen den Festelektroden und den zugehörigen Gegenelektroden ausgewertet. Zur Kompensation von thermischen oder materialbedingten Spannungen im Substrat sind die Festelektroden und Gegenelektroden jeweils als überhängende und somit frei relaxierende Strukturen ausgebildet.
Solche Beschleunigungssensoren werden häufig im Automobilbereich, beispielsweise bei ESP-Systemen (Elektronisches Stabilitätsprogramm) verwendet. Dabei werden die Beschleunigungssensoren an Einbauorten montiert, an denen die Beschleunigungssensoren vergleichsweise starken Vibrationen mit Frequenzanteilen im mehrfachen kHz-Bereich ausgesetzt werden, wie beispielsweise im Motorraum. Damit die Messgenauigkeit des Beschleunigungssensors hierbei nicht beeinträchtigt wird, dürfen diese hochfrequenten Vibrationen kein merkliches Messsignal am Beschleunigungssensor hervorrufen. Es ist daher wünschenswert, dass die Beschleunigungssensoren eine hohe Vibrationsrobustheit aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die maximal mögliche Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Substrat vergrößert wird und gleichzeitig auch geringe Auslenkungen mit hoher Präzision vermessbar sind. Dies wird dadurch erreicht, dass auch die zweiten Elektroden infolge der äußeren Beschleunigungskraft entlang der Auslenkungsrichtung auslenkbar sind, so dass einerseits ein unerwünschter mechanischer Kontakt zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden bei großen Auslenkungen der seismischen Masse verhindert wird (indem sich die zweiten Elektroden in Auslenkungsrichtung mitbewegen) und andererseits bei kleinen Auslenkungen der seismischen Masse die zweiten Elektroden dennoch vergleichsweise eng benachbart zu den ersten Elektroden angeordnet sind und somit vergleichsweise kleine Abstandsänderungen zwischen den ersten und zweiten Elektroden infolge von kleinen Auslenkungen der seismischen Masse präzise detektierbar sind. Die im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerte maximal mögliche Auslenkung der seismischen Masse hat zudem den Vorteil, dass die Vibrationsrobustheit des Beschleunigungssensors deutlich erhöht wird. Es hat sich gezeigt, dass die Vibrationsrobustheit eines Beschleunigungssensors dadurch zu erhöhen ist, dass die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors erniedrigt wird, da die störenden Vibrationen vergleichsweise hohe Frequenzen aufweisen. Eine niedrige Resonanzfrequenz führt jedoch dazu, dass die Auslenkung der seismischen Masse infolge einer auf den Beschleunigungssensor wirkenden äußeren Beschleunigungskraft größer wird. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigungssensoren würde bei einer Reduktion der Resonanzfrequenz die Gefahr bestehen, dass die seismische Masse derart ausgelenkt wird, dass es zu einem mechanischen Kontakt zwischen der beweglichen seismischen Masse bzw. der daran angebrachten Gegenelektroden und am Substrat fixierten Strukturen wie zum Beispiel Festelektroden oder eigens dafür vorgesehen Anschlagstrukturen kommt. Dies ist gilt insbesondere deshalb, weil die geometrischen Abstände nicht ausreichend groß gewählt werden können, weil kleine Auslenkungen sonst nicht präzise detektierbar sind. Der Beschleunigungssensor wird durch einen solchen mechanischen Anschlag in seiner Funktion beeinträchtigt. Beim erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor erlaubt hingegen eine größere maximale Auslenkung, wodurch eine Reduktion der Resonanzfrequenz und somit eine Erhöhung der Vibrationsrobustheit ermöglicht wird, ohne dass hierdurch die Genauigkeit bei der Vermessung von geringfügigen Auslenkungen der seismischen Masse beeinträchtigt wird oder die Gefahr von mechanischem „Anschlagen entsteht. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist, dass die Detektionsmittel als Plattenkondensatorstrukturen ausgebildet ist, so dass durch die sich in Auslenkungsrichtung gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektroden eine gute dynamische Luftdämpfung ergibt, wodurch die Vibrationsrobustheit weiter erhöht wird. Außerdem ist durch die Ausbildung als Plattenkondensatorstrukturen ein sehr gutes Verhältnis von geringem Platzbedarf und hohem erreichtem Kapazitätssignal zu ermöglichen. Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor ist im Gegensatz zum Stand der Technik daher eine Kombination von hoher Empfindlichkeit (elektrisches Signal), niedriger Resonanzfrequenz und dynamischer Luftdämpfung möglich. Zur Vermessung der Auslenkung wird insbesondere die Änderung der elektrischen Messkapazität zwischen den ersten und zweiten Elektroden elektronisch ausgewertet. Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor umfasst insbesondere ein MEMS-Bauelement (Micro Electro Mechanical System), welches in einem Halbleiterherstellungsprozess gefertigt ist. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der seismischen Masse, sowie der Detektionsmittel entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eines Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor eine gegenüber dem Substrat auslenkbare weitere seismischen Masse und weitere Detektionsmittel zur Detektion einer Auslenkung der weiteren seismischen Masse gegenüber dem Substrat aufweist, wobei die weiteren Detektionsmittel mit der weiteren seismischen Masse verbundene weitere erste Elektroden und mit den weiteren ersten Elektroden jeweils eine weitere elektrische Messkapazität bildende weitere zweite Elektroden umfassen, wobei die weiteren zweiten Elektroden sowohl gegenüber dem Substrat, als auch gegenüber der weiteren seismischen Masse beweglich sind. In vorteilhafter Weise wird die Beschleunigung des Beschleunigungssensors somit mittels zwei seismischen Massen detektiert. Die seismische Masse und die weitere seismische Masse sind dabei entweder unabhängig voneinander (beispielsweise zwei vollständig getrennte seismische Massen), elastisch miteinander gekoppelt (beispielsweise über entsprechende Federelemente) oder starr miteinander verbunden (beispielsweise einstückig ausgebildet).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ersten Elektroden mit einem gemeinsamen Rahmenelement verbunden sind, wobei das Rahmenelement vorzugsweise über Befestigungsfedern am Substrat befestigt ist und/oder wobei vorzugsweise die weiteren zweiten Elektroden mit dem Rahmenelement verbunden sind. In vorteilhafter Weise sind die zweiten und weiteren zweiten Elektroden allesamt über den Rahmen fest miteinander verbunden, so dass eine gemeinsame Bewegung der zweiten und weiteren zweiten Elektroden entlang der Auslenkungsrichtung sichergestellt ist. Das Rahmenelement wird bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors entlang der Auslenkungsrichtung relativ zum Substrat ausgelenkt. Das Rahmenelement 3 stellt somit ebenfalls eine seismische Masse dar. Ferner ist somit insbesondere eine präzise differentielle Auswertung der Messsignale der Detektionsmittel und weiterer Messsignale der weiteren Detektionsmittel möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Befestigungsfedern entlang einer zur Haupterstreckungsebene des Substrats parallelen Auslenkungsrichtung der seismischen Masse weicher als senkrecht zur Auslenkungsrichtung ausgebildet sind. In vorteilhafter Weise wird somit eine Auslenkung des Rahmens und somit auch der zweiten und weiteren zweiten Elektroden senkrecht zur Auslenkungsrichtung verhindert, wodurch unerwünschte Störmoden, beispielsweise durch Beschleunigungen senkrecht zur Auslenkungsrichtung, unterdrückt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ersten und die weiteren ersten Elektroden entlang der Auslenkungsrichtung jeweils eine erste Seite und eine in Auslenkungsrichtung der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite aufweisen, wobei die zweiten Elektroden jeweils benachbart zur zweiten Seite der ersten Elektroden angeordnet sind und wobei die weiteren zweiten Elektroden jeweils benachbart zur ersten Seite der weiteren ersten Elektroden angeordnet sind. Die zweiten Elektroden sind somit auf einer anderen Seite der ersten Elektroden angeordnet, als die weiteren zweiten Elektroden bezüglich der weiteren ersten Elektroden. Dies hat den Vorteil, dass eine differentielle Auswertung der von den Detektionsmitteln detektierten Messsignale mit den von den weiteren Detektionsmittel detektierten weiteren Messsignalen ermöglicht wird. Eine Relativauslenkung zwischen der seismischen Masse und dem Rahmen in Auslenkungsrichtung führt beispielsweise zu einer Verringerung des Abstands zwischen den ersten und zweiten Elektroden, während eine gleichartige Relativauslenkung zwischen der weiteren seismischen Masse und dem Rahmen in Auslenkungsrichtung zu einer Erhöhung des Abstands zwischen den weiteren ersten und den weiteren zweiten Elektroden führt. Die vom Detektionsmittel gemessene elektrische Messkapazität wird somit größer, während die vom weiteren Detektionsmittel gemessene weitere elektrische Messkapazität kleiner wird. Eine differentielle Auswertung ergibt ein elektrisches Signal, dass der anliegenden Beschleunigung proportional ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die seismische Masse und/oder die weitere seismische Masse mittels Massenbefestigungsfedern auslenkbar am Substrat befestigt sind, wobei die Massenbefestigungsfedern und/oder die Befestigungsfedern entlang der Haupterstreckungsebene vorzugsweise in einem gemeinsamen Zentralbereich am Substrat befestigt sind. In vorteilhafter Weise wird durch die Anbindung der seismischen Masse, der weiteren seismischen Masse und des Rahmens (somit auch der ersten, zweiten, weiteren ersten und weiteren zweiten Elektroden) die Robustheit des Beschleunigungssensors gegenüber Substratverbiegungen, beispielsweise hervorgerufen durch thermische oder mechanische Spannungen im Substrat, gesteigert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Rahmenelement derart ausgebildet ist, dass die seismische Masse, die weitere seismische Masse, die ersten Elektroden, die zweiten Elektroden, die weiteren ersten Elektroden, die weiteren zweiten Elektroden, die Befestigungsfedern und/oder die Massenbefestigungsfedern entlang der Haupterstreckungsebene innerhalb des Rahmenelements angeordnet sind, wobei das Rahmenelement vorzugsweise in Umfangrichtung geschlossen ausgebildet ist. Vorteilhafterweise wird somit ein kompakter Aufbau erzielt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors, wobei bei einer Auslenkung der seismischen Masse parallel zur Auslenkungsrichtung sowohl die ersten Elektroden als auch die zweiten Elektroden in Auslenkungsrichtung relativ zum Substrat bewegt werden. In vorteilhafter Weise wird somit eine im Vergleich zum Stand der Technik größere maximal mögliche Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Substrat erzielt, wobei gleichzeitig vergleichsweise geringe Auslenkungen präzise vermessbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors zu verringern ist, wodurch die Vibrationsrobustheit gesteigert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass einer Auslenkung der weiteren seismischen Masse parallel zur Auslenkungsrichtung sowohl die weiteren ersten Elektroden als auch die weiteren zweiten Elektroden in Auslenkungsrichtung relativ zum Substrat ausgelenkt werden. Die Verwendung eines zweiten Schwingersystems realisiert durch die weitere seismische Masse hat den Vorteil, dass eine volldifferentielle Auswertung der Ausgangssignale ermöglicht wird. Das jeweilige Schwingverhalten der seismischen Masse und der weiteren seismischen Masse sind vorzugsweise im Wesentlichen identisch zueinander.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einer Auslenkung der seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung aufgrund einer auf den Beschleunigungssensor einwirkenden äußeren Beschleunigungskraft die zweiten Elektroden sowohl relativ zum Substrat, als auch relativ zur seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung bewegt werden und/oder wobei bei einer Auslenkung der weiteren seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung aufgrund einer auf den Beschleunigungssensor einwirkenden äußeren Beschleunigungskraft die weiteren zweiten Elektroden sowohl relativ zum Substrat, als auch relativ zur weiteren seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung bewegt werden. In vorteilhafter Weise wird bei einer gleichartigen Auslenkung der seismischen Masse und der weiteren seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung der Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden invers zur Abstandsänderung zwischen den weiteren ersten und den weiteren zweiten Elektroden verändert. Dies hat den Vorteil, dass eine differentielle Auswertung der von den Detektionsmitteln detektierten Messsignale mit den von den weiteren Detektionsmittel detektierten inversen weiteren Messsignalen ermöglicht wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß dem Stand der Technik,
2 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
4 einen schematische Darstellung der Übertragungsfunktion eines Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist ein konventionelles Design eines aus dem Stand der Technik bekannten Linearbeschleunigungssensors 400 bekannt. Der Linearbeschleunigungssensor 400 umfasst eine perforierte seismische Masse 401, welche mittels Biegefedern 402 derart beweglich an einem Substrat aufgehängt ist, dass die seismische Masse 401 aufgrund von Trägheitskräften parallel zu einer Längsrichtung 403 gegenüber dem Substrat auslenkbar ist, wenn auf den Linearbeschleunigungssensor 400 eine äußere Beschleunigungskraft ausgeübt wird. Der Linearbeschleunigungssensor 400 weist ferner substratfeste Festelektroden 405 und substratfeste weitere Festelektroden 406 auf, welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats und senkrecht zur Längsrichtung 403 erstrecken. Ferner ragen die Festelektroden 405 und die weiteren Festelektroden 406 senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats in entsprechende Aussparungen der seismischen Masse 401. Die seismische Masse 401 weist korrespondierende Gegenelektroden 404 auf. Jede der Gegenelektroden 404 bildet jeweils mit einer Festelektrode 405 oder mit einer weiteren Festelektrode 406 einen elektrischen Plattenkondensator. Eine Auslenkung der seismischen Masse 401 entlang der Längsrichtung 403 führt zu einer Abstandsänderung zwischen benachbarten Festelektroden 405 und Gegenelektroden 404 bzw. zwischen benachbarten weiteren Festelektroden 406 und Gegenelektroden 404. Die Abstandsänderungen sind über eine Messung der entsprechenden elektrischen Kapazitäten zwischen den Festelektroden 405 und den Gegenelektroden 404 bzw. zwischen den weiteren Festelektroden 406 und den Gegenelektroden 404 quantitativ bestimmbar. Über eine differentielle Auswertung der mittels der Festelektroden 405 gemessenen Signale und der mittels der weiteren Festelektroden 406 gemessenen Signale ist eine präzise Bestimmung der auf den Linearbeschleunigungssensor 400 parallel zur Längsrichtung 403 wirkenden Beschleunigung möglich. Die Ausbildung der Festelektroden 405, weiteren Festelektroden 406 und Gegenelektroden 404 als derartige Plattenkondensatorstruktur hat den Vorteil, dass eine relativ geringe Auslenkung der seismischen Masse 401 schon zu einer deutlichen Kapazitätsänderung führt. Zusätzlich führen die jeweils sich gegenüberliegenden Elektroden der Plattenkondensatoren zu einer hohen dynamischen Luftdämpfung. Dies steigert die Robustheit gegenüber hohen, meist unerwünschten Frequenzen. Die Vibrationsrobustheit ist besonders für nieder-g Beschleunigungssensoren 400, wie beispielsweise für ESP-Anwendungen, von großer Bedeutung. An Einbauorten wie zum Beispiel in einem Motorraum kann es zu verstärkten hochfrequenten Vibrationen kommen, die möglichst kein Signal am Beschleunigungssensor 400 auslösen sollten. Für eine optimale Robustheit gegenüber Vibration ist neben der hohen Dämpfung auch eine geringe Resonanzfrequenz (f_res) des Sensorelementes von großem Vorteil, da Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz durch die mechanische Übertragungsfunktion stark gedämpft werden. Typischerweise sinkt die übertragene Amplitude von (Stör-)frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz mit 40dB pro Frequenz-Dekade. Eine niedrige Resonanzfrequenz hat allerdings eine große Auslenkung der seismischen Masse 401 bei anliegender Beschleunigung zur Folge, da die Auslenkung antiproportional zum Quadrat der Resonanzfrequenz f_res ist:
Auf Grund der 1/d-Abhängigkeit der Kapazität von Plattenkondensatoren können Auslenkungen größer als die Hälfte des Elektrodenabstandes bei wenigen g Beschleunigung nicht sinnvoll realisiert werden, da entweder bei kleinen Beschleunigungen das Signal zu gering ist, oder bei höheren Beschleunigungen sehr früh ein mechanisches Anschlagen erfolgen kann.
In 2 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Beschleunigungssensor 1 weist ein Substrat 2 mit einer Haupterstreckungsebene 100 auf. Das Substrat 2 umfasst vorzugsweise ein Silizium-Material, welches in einem MEMS-Oberflächenstrukturierungsprozess entsprechend strukturiert wurde. Der Beschleunigungssensor 1 weist ferner eine seismische Masse 10 und eine separate und von der seismischen Masse 10 unabhängige weitere seismische Masse 20 auf. Die seismische Masse 10 ist mittels Massenbefestigungsfedern 7 am Substrat 2 derart beweglich aufgehängt, dass die seismische Masse 10 relativ zum Substrat 2 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Auslenkungsrichtung 101 auslenkbar ist. Analog ist die weitere seismische Masse 20 ebenfalls mittels Massenbefestigungsfedern 7 am Substrat 2 beweglich gegenüber einer Auslenkung entlang der Auslenkungsrichtung 101 aufgehängt. Die Massenbefestigungsfedern 7 umfassen insbesondere Biegefedern, die vorzugsweise entlang der Auslenkungsrichtung 101 weicher ausgebildet sind, als senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101. Wenn der Beschleunigungssensor 1 parallel zur Auslenkungsrichtung 101 beschleunigt wird, wirken auf die seismische Masse 10 und die weitere seismische Masse 20 entsprechende Trägheitskräfte, wodurch die seismische Masse 10 und die weitere seismische Masse 20 parallel zur Auslenkungsrichtung 101 (insbesondere antiparallel zur Beschleunigungsrichtung) gegenüber dem Substrat 2 ausgelenkt werden.
Der Beschleunigungssensor 1 weist ferner Detektionsmittel 11 und weitere Detektionsmittel 21 auf, mittels welchen die Auslenkung der seismischen Masse 10 und die Auslenkung der weiteren seismischen Masse 20 detektierbar ist. Die Detektionsmittel 11 umfassen mit der seismischen Masse 10 fest verbundene erste Elektroden 12 und mit einem Rahmenelement 3 fest verbundene zweite Elektroden 13. Die ersten und zweiten Elektroden 12, 13 erstrecken sich jeweils parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101, wobei sie sich dabei in Auslenkungsrichtung 101 gegenseitig überlappen. Die ersten und zweiten Elektroden 12, 13 sind dabei derart angeordnet, dass jeweils immer genau eine erste Elektrode 12 benachbart zu einer zweiten Elektrode 13 angeordnet ist. Die ersten und zweiten Elektroden 12, 13 bilden somit eine Plattenkondensator-Anordnung. Bei einer Auslenkung der seismischen Masse 10 relativ zum Rahmenelement 3 entlang der Auslenkungsrichtung 101 verändern sich daher jeweils die Abstände zwischen den ersten Elektroden 12 und den jeweils zugeordneten zweiten Elektroden 13 und somit jeweils die elektrischen Kapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden 12, 13. Die ersten Elektroden 12 sind miteinander über die seismische Masse 10 elektrisch leitfähig verbunden, während die zweiten Elektroden 13 untereinander über das Rahmenelement 3 elektrisch miteinander verbunden sind. Eine Auswertung der Änderung der elektrischen Messkapazität zwischen den ersten und zweiten Elektroden 12, 13 ist somit ein Maß für die Auslenkung der seismischen Masse 10 gegenüber dem Rahmenelement 3. In analoger Weise sind die weiteren Detektionsmittel 21 ausgebildet. Die weiteren Detektionsmittel 21 umfassen mit der weiteren seismischen Masse 20 fest verbundene weitere erste Elektroden 22 und mit dem Rahmenelement 3 fest verbundene weitere zweite Elektroden 23, wobei wiederum jeweils einer weiteren zweiten Elektrode 23 genau eine weitere erste Elektrode 22 zugeordnet ist.
Das Rahmenelement 3 ist mittels Befestigungsfedern 4 derart beweglich am Substrat 2 aufgehängt, dass das Rahmenelement 3 beim Vorliegen der Beschleunigung des Beschleunigungssensors 1 entlang der Auslenkungsrichtung 101 relativ zum Substrat 2 auslenkbar ist. Die Befestigungsfedern 3 umfassen insbesondere Biegefedern, die vorzugsweise entlang der Auslenkungsrichtung 101 weicher ausgebildet sind, als senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101. Wenn der Beschleunigungssensor 1 parallel zur Auslenkungsrichtung 101 beschleunigt wird, wirkt auf das Rahmenelement 3 eine entsprechende Trägheitskraft, wodurch das Rahmenelement 3 und somit auch die zweiten und weiteren zweiten Elektroden 13, 23 parallel zur Auslenkungsrichtung 101 (insbesondere antiparallel zur Beschleunigungsrichtung) gegenüber dem Substrat 2 ausgelenkt werden. Das Rahmenelement 3 stellt somit ebenfalls eine seismische Masse dar. Da das Rahmenelement 3 nicht fest mit der seismischen Masse 10 oder der weiteren seismischen Masse 20 verbunden ist, sind das Rahmenelement 3 und auch die zweiten und weiteren zweiten Elektroden 13, 23 gleichzeitig auch relativ zur seismischen und weiteren seismischen Masse 10, 20 auslenkbar. Die Masse des Rahmenelements 3 und die Masse der seismischen Masse 10 bzw. der weiteren seismischen Masse 20 sind unterschiedlich groß. Ferner sind die Befestigungsfedern 4 und die Massenbefestigungsfedern 7 unterschiedlich ausgebildet. Das Rahmenelement 3 und die seismische bzw. weitere seismische Masse 10, 20 werden beim Vorliegen der Beschleunigung folglich unterschiedlich entlang der Auslenkungsrichtung 101 ausgelenkt, so dass stets eine Abstandsänderung zwischen ersten und zweiten Elektroden 12, 13 bzw. zwischen weiteren ersten und weiteren zweiten Elektroden 22, 23 detektierbar ist. Die Massen der seismischen Massen 10, 20 und des Rahmenelements 3, sowie die Geometrien, Dicken und Längen der Federn 5, 7 sind vorzugsweise derart gewählt, dass auch bei einer großen Auslenkung der seismischen Massen 10, 20 die relative Auslenkung zwischen den ersten und zweiten Elektroden 12, 13 (bzw. der weiteren ersten und weiterten Elektroden 22, 23) vergleichsweise gering ist, so dass stets ein geringer Plattenabstand und somit eine hohe Genauigkeit zu erzielen ist. Beispielsweise ist denkbar, dass sich der Elektrodenteil um 6 µm und der Massenteil um 5,5 µm in Auslenkungsrichtung 101 auslenken, so dass eine effektive Abstandsänderung zwischen den ersten und zweiten Elektroden 12, 13 (bzw. der weiteren ersten und weiterten Elektroden 22, 23) von 0,5 µm detektiert wird. Das Rahmenelement 3 ist im vorliegenden Beispiel als umlaufender und entlang der Umfangsrichtung geschlossener viereckiger Rahmen ausgebildet, wobei die seismische Masse 10, die weitere seismische Masse 20, die ersten Elektroden 12, die weiteren ersten Elektroden 22, die zweiten Elektroden 13 und die weiteren zweiten Elektroden 23 innerhalb des umlaufenden Rahmens angeordnet sind. Der Beschleunigungssensor 1 ist, abgesehen von der Platzierung der zweiten und weiteren zweiten Elektroden 13, 23, gegenüber einer gegenüber einer sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 mittig durch den Beschleunigungssensor 1 und entlang der Auslenkungsrichtung 101 erstreckende Spiegelebene 102 symmetrisch ausgebildet.
Die ersten und die weiteren ersten Elektroden 12, 22 weisen entlang der Auslenkungsrichtung 101 jeweils eine erste Seite 5 und eine in Auslenkungsrichtung 101 der ersten Seite 5 gegenüberliegende zweite Seite 6 auf. Der einzige Unterschied zwischen den Detektionsmitteln 11 und den weiteren Detektionsmitteln 21 ist, dass die zweiten Elektroden 13 jeweils benachbart zur zweiten Seite 6 der ersten Elektroden 12 angeordnet sind, während die weiteren zweiten Elektroden 23 jeweils benachbart zur ersten Seite 5 der weiteren ersten Elektroden 22 angeordnet sind. Eine gleichartige Relativbewegung der seismischen und der weiteren seismischen Masse 10, 20 gegenüber dem Rahmen parallel zur Auslenkungsrichtung 101 führt daher dazu, dass sich der Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden 12, 13 verringert (oder vergrößert), während sich der Abstand zwischen den weiteren ersten und den weiteren zweiten Elektroden 22, 23 in umgekehrter Weise vergrößert (oder verringert). Die Abstandsänderungen erfolgen folglich invers zueinander. Die vom Detektionsmittel 11 gemessene elektrische Messkapazität zwischen den ersten und zweiten Elektroden 12, 13 wird somit größer (oder kleiner), während die vom weiteren Detektionsmittel 21 gemessene weitere elektrische Messkapazität zwischen den weiteren ersten und den weiteren zweiten Elektroden 22, 23 kleiner (oder größer) wird. Eine differentielle Auswertung der Änderungen der elektrischen Messkapazität und der weiteren elektrischen Messkapazität ergibt daher ein elektrisches Signal, dass der anliegenden Beschleunigung proportional ist. Aufgrund der Beweglichkeit des Rahmens entlang der Auslenkungsrichtung 101 ist vorteilhafter Weise ein kleiner Plattenabstand und gleichzeitig eine große maximal mögliche Auslenkung realisierbar. Dies führt dazu, dass bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor 1 gleichzeitig eine dynamische Luftdämpfung und eine niedrige Resonanzfrequenz f_res zu realisieren ist. Die Vibrationsrobustheit ist somit im Vergleich zum Stand der Technik zu maximieren. Alternativ ist denkbar, dass die seismische Masse 10 und die weitere seismische Masse 20 mechanisch fest miteinander verbunden und nur elektrisch voneinander isoliert sind. Beispielsweise könnte der Bereich zwischen der seismischen Masse 10 und der weiteren seismischen Masse 20 mit einem Isolator (Oxid, undotiertes Silizium oder Nitrid) gefüllt sein, um ein identisches Schwingverhalten der seismischen Masse 10 und der weiteren seismischen Masse 20 sicherzustellen.
In 3 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in 2 illustrierten ersten Ausführungsform gleicht. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind die jeweiligen Substratverankerungen 8 der Befestigungsfedern 4 und der Massenbefestigungsfedern 7 allesamt in einem gemeinsamen Zentralbereich des Beschleunigungssensors 1 am Substrat 2 befestigt. Der Zentralbereich ist dabei insbesondere in der Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101 zwischen der seismischen Masse 10 und der weiteren seismischen Masse 20 angeordnet.
In 4 ist eine schematische Darstellung der Übertragungsfunktion eines Beschleunigungssensors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik. Auf der Abszisse 40 ist logarithmisch die Störfrequenz f in der Einheit Hertz und auf der Ordinate 41 die Amplitude A in Dezibel aufgetragen. Eine erste Kurve 30 zeigt die Übertragungsfunktion bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigungssensor 400 gemäß 1 (f_res = 2kHz; Lehrsche Dämpfung D = 3), während eine zweite Kurve 31 die Übertragungsfunktion eines aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigungssensors 1 mit ineinandergreifenden Fingerelektroden die während der Auslenkungsbewegung tiefer ineinander fahren oder auseinanderfahren (solche Beschleunigungssensoren können zwar mit geringen Resonanzfrequenzen gebaut werden, haben in nachteiliger Weise aber keine dynamische Luftdämpfung) (f_res = 0,5 kHz; Lehrsche Dämpfung D = 0,4). Die dritte Kurve 32 zeigt die Übertragungsfunktion des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors 1 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform, bei welchem sowohl eine dynamische Luftdämpfung (D=3), als auch eine niedrige Resonanzfrequenz (f_res = 0,5 kHz) realisierbar sind. Aus dem Diagramm ist zu sehen, dass schon bei niedrigeren Frequenzen eine höhere Dämpfung der Störmoden zu erzielen ist. Beispielsweise werden Frequenzen oberhalb von 100Hz mechanisch stark unterdrückt. Ein unerwünschter Offset im Ausgangssignal des Beschleunigungssensor 1 aufgrund von hochfrequenten Störvibrationen wird bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor 1 somit wirksam vermieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19719779 A1 [0002]

Claims

Beschleunigungssensor (1) mit einem Substrat (2), einer gegenüber dem Substrat (2) aufgrund einer auf den Beschleunigungssensor (1) einwirkenden äußeren Beschleunigungskraft entlang einer Auslenkungsrichtung (101) auslenkbaren seismischen Masse (10) und Detektionsmitteln (11) zur Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse (10) gegenüber dem Substrat (2), wobei die Detektionsmittel (11) mit der seismischen Masse (10) verbundene erste Elektroden (12) und mit den ersten Elektroden (12) jeweils eine elektrische Messkapazität bildende zweite Elektroden (13) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Elektroden (13) durch eine auf den Beschleunigungssensor (1) einwirkende äußere Beschleunigungskraft sowohl gegenüber dem Substrat (2), als auch gegenüber der seismischen Masse (10) entlang der Auslenkungsrichtung (101) auslenkbar ausgebildet sind.
Beschleunigungssensor (1) nach Anspruch 1, wobei der Beschleunigungssensor (1) eine gegenüber dem Substrat (2) auslenkbare weitere seismischen Masse (20) und weitere Detektionsmittel (21) zur Detektion einer Auslenkung der weiteren seismischen Masse (20) gegenüber dem Substrat (2) aufweist, wobei die weiteren Detektionsmittel (21) mit der weiteren seismischen Masse (20) verbundene weitere erste Elektroden (22) und mit den weiteren ersten Elektroden (22) jeweils eine weitere elektrische Messkapazität bildende weitere zweite Elektroden (23) umfassen, wobei die weiteren zweiten Elektroden (23) sowohl gegenüber dem Substrat (2), als auch gegenüber der weiteren seismischen Masse (20) beweglich sind.
Beschleunigungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Elektroden (12) mit einem gemeinsamen Rahmenelement (3) verbunden sind, wobei das Rahmenelement (3) vorzugsweise über Befestigungsfedern (4) am Substrat (2) befestigt ist und/oder wobei vorzugsweise die weiteren zweiten Elektroden (23) mit dem Rahmenelement (3) verbunden sind.
Beschleunigungssensor (1) nach Anspruch 3, wobei die Befestigungsfedern (4) entlang einer zur Haupterstreckungsebene (100) des Substrats (2) parallelen Auslenkungsrichtung (101) der seismischen Masse (3) weicher als senkrecht zur Auslenkungsrichtung (101) ausgebildet sind.
Beschleunigungssensor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die ersten und die weiteren ersten Elektroden (12, 22) entlang der Auslenkungsrichtung (101) jeweils eine erste Seite (5) und eine in Auslenkungsrichtung (101) der ersten Seite (5) gegenüberliegende zweite Seite (6) aufweisen, wobei die zweiten Elektroden (13) jeweils benachbart zur zweiten Seite (6) der ersten Elektroden (12) angeordnet sind und wobei die weiteren zweiten Elektroden (23) jeweils benachbart zur ersten Seite (5) der weiteren ersten Elektroden (22) angeordnet sind.
Beschleunigungssensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die seismische Masse (10) und/oder die weitere seismische Masse (20) mittels Massenbefestigungsfedern (7) auslenkbar am Substrat (2) befestigt sind, wobei die Massenbefestigungsfedern (7) und/oder die Befestigungsfedern (4) entlang der Haupterstreckungsebene (100) vorzugsweise in einem gemeinsamen Zentralbereich am Substrat (2) befestigt sind.
Beschleunigungssensor (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Rahmenelement (3) derart ausgebildet ist, dass die seismische Masse (10), die weitere seismische Masse (20), die ersten Elektroden (12), die zweiten Elektroden (13), die weiteren ersten Elektroden (22), die weiteren zweiten Elektroden (23), die Befestigungsfedern (4) und/oder die Massenbefestigungsfedern (7) entlang der Haupterstreckungsebene (100) innerhalb des Rahmenelements (3) angeordnet sind, wobei das Rahmenelement (3) vorzugsweise in Umfangrichtung geschlossen ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Auslenkung der seismischen Masse (10) parallel zur Auslenkungsrichtung (101) sowohl die ersten Elektroden (12) als auch die zweiten Elektroden (13) in Auslenkungsrichtung (101) relativ zum Substrat (2) bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei einer Auslenkung der weiteren seismischen Masse (20) parallel zur Auslenkungsrichtung (101) sowohl die weiteren ersten Elektroden (22) als auch die weiteren zweiten Elektroden (23) in Auslenkungsrichtung (101) relativ zum Substrat (2) ausgelenkt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei bei einer Auslenkung der seismischen Masse (10) entlang der Auslenkungsrichtung (101) aufgrund einer auf den Beschleunigungssensor (1) einwirkenden äußeren Beschleunigungskraft die zweiten Elektroden (13) sowohl relativ zum Substrat (2), als auch relativ zur seismischen Masse (10) entlang der Auslenkungsrichtung (101) bewegt werden und/oder wobei bei einer Auslenkung der weiteren seismischen Masse (20) entlang der Auslenkungsrichtung (101) aufgrund einer auf den Beschleunigungssensor (1) einwirkenden äußeren Beschleunigungskraft die weiteren zweiten Elektroden (23) sowohl relativ zum Substrat (2), als auch relativ zur weiteren seismischen Masse (20) entlang der Auslenkungsrichtung (101) bewegt werden.