DE102013111787A1

DE102013111787A1 - Mikroelektromechanische Struktur mit geringer Empfindlichkeit gegen thermomechanische Belastung

Info

Publication number: DE102013111787A1
Application number: DE201310111787
Authority: DE
Inventors: Luca Coronato; Gabriele CAZZANIGA; Barbara Simoni
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Hanking Electronics Ltd Solon Us
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-06-05
Also published as: CN103852598B; US20140298909A1; US9176157B2; CN103852598A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Struktur und spezieller Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Kompensieren der Wirkung von thermomechanischer Belastung, indem elastische Elemente aufgenommen und eingestellt werden, die dazu benutzt werden, eine bewegliche Prüfmasse mit Ankern zu koppeln. Die Prüfmasse reagiert auf Beschleunigung, indem sie sich verschiebt und bezüglich einer Drehachse der beweglichen Masse neigt. Die thermomechanische Belastung wird im Verlauf der Herstellung, Gehäuseunterbringung und des Zusammenbaus oder im Betrieb in der Struktur angesammelt. Die Belastung verursacht eine Verschiebung der Prüfmasse. Es ist eine Vielzahl elastischer Elemente gekoppelt, um die Prüfmasse zu tragen. Geometrie und Konfiguration dieser elastischen Elemente sind eingestellt, um die durch die thermomechanische Belastung verursachte Verschiebung zu verringern.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Struktur und spezieller, Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Kompensieren der Wirkung von thermomechanischer Belastung, indem elastische Elemente aufgenommen und eingestellt werden, die dazu benutzt werden, eine bewegliche Prüfmasse und Anker zu koppeln, die in der mikroelektromechanischen Struktur enthalten sind.
Hintergrund der Erfindung
Eine mikroelektromechanische Struktur wird weitverbreitet als Sensor zur Messung von Beschleunigung, Drehung, Druck, Temperatur und vielen anderen physikalischen Parametern eingesetzt. Die mikroelektromechanische Struktur wird normalerweise auf einem Silizium-Substrat unter Verwendung eines Mikrobearbeitungs-Prozesses ausgebildet, der zu charakteristischen Strukturgrößen von einigen Mikrometern führt. Solche miniaturisierten Vorrichtungen können mechanische Bewegung in elektrische Eigenschaften umwandeln. Eine typische mikroelektromechanische Struktur ist ein mikrobearbeiteter kapazitiver Beschleunigungssensor, der eine Prüfmasse aufweist, die über einem Silizium-Substrat aufgehängt ist.
1A zeigt einen kapazitiven z-Achsen-Beschleunigungssensor 100, und 1B zeigt seine Reaktion 150 auf eine Beschleunigung außerhalb der Ebene. Die bewegliche Prüfmasse 102 des kapazitiven z-Achsen-Beschleunigungssensors 100 ist über einen Anker 106 mit einem Substrat 104 verankert. Sowohl auf der Prüfmasse 102 als auch dem stationären Substrat sind Elektroden ausgebildet, so dass zwei Kondensatoren 108A und 108B ausgebildet und auf zwei Seiten des Ankers 106 angeordnet sind. Als Reaktion auf eine Beschleunigung außerhalb der Ebene entlang der z-Achse neigt sich die Prüfmasse 102 bezüglich ihrer Drehachse 106. Die Abstände zwischen der Prüfmasse 102 und den entsprechenden Elektroden, 110A und 110B, variieren unterschiedlich und führen zu einem Ungleichgewicht zwischen den Kondensatoren 108A und 108B. Ein solches Kapazitäts-Ungleichgewicht wird durch einen Schnittstellen-Schaltkreis verarbeitet, um ein Signal auszugeben, das die Größe der Beschleunigung außerhalb der Ebene anzeigt.
Thermomechanische Belastung kann einen inhärenten Versatz oder eine Drift des Ausgangssignals einführen, sogar wenn keine Beschleunigung außerhalb der Ebene vorliegt. In einer idealen Situation sollte das Kapazitäts-Ungleichgewicht zwischen den Kondensatoren 108A und 108B nur mit der Beschleunigung außerhalb der Ebene verbunden sein und ist nicht vorhanden, wenn keine Beschleunigung außerhalb der Ebene beteiligt ist. Während des Lötens und der Gehäuseunterbringung kann sich jedoch thermomechanische Belastung im Substrat 104 akkumulieren, was unausweichlich bewirkt, dass sich das Substrat verzieht. Wenn ein solches Verziehen symmetrisch bezüglich des Ankers 106 ist, kompensieren sich die Änderungen der Kondensator-Abstände, und es liegt kein Kapazitäts-Ungleichgewicht zwischen den Kondensatoren 108A und 108B vor. In den meisten Fällen ist das Verziehen des Substrats unsymmetrisch. Unabhängig davon wie nahe aneinander sie liegen können, sind die Änderungen der Abstände der Kondensatoren 108A und 108B immer unterschiedlich. Solche unsymmetrischen Änderungen des Abstands sind im endgültigen Ausgangssignal des Schnittstellen-Schaltkreises enthalten und führen zu einem Versatz der gemessenen Beschleunigung und einer Drift der Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 100.
Offenbar ist die Leistungsfähigkeit des kapazitiven Beschleunigungssensors 100 durch thermomechanische Belastung im Substrat 104 beeinträchtigt. Eine solche Verschlechterung der Leistungsfähigkeit ist mikroelektromechanischen Strukturen gemeinsam, die auf aufgehängte Prüfmassen zum Messen und Umwandeln mechanischer Bewegung angewiesen sind. Es besteht ein Bedarf, die thermomechanische Belastung, die im Verlauf der Herstellung, Gehäuseunterbringung, des Zusammenbaus und des Betriebs im Substrat 104 aufgebaut wird, zu kompensieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine mikroelektromechanische Struktur und spezieller, Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Kompensieren der Wirkung von thermomechanischer Belastung, indem elastische Elemente aufgenommen und eingestellt werden, die dazu benutzt werden, eine bewegliche Prüfmasse und Anker zu koppeln, die in der mikroelektromechanischen Struktur enthalten sind.
Ein Aspekt der Erfindung ist eine mikroelektromechanische Struktur, die ein Substrat, eine Prüfmasse, mindestens einen Anker und eine Vielzahl elastischer Elemente umfasst. Die Prüfmasse ist über dem Substrat aufgehängt und reagiert auf Beschleunigung, indem sie sich verschiebt und bezüglich einer Drehachse der beweglichen Masse neigt. Der mindestens eine Anker ist auf dem Substrat befestigt und gekoppelt, um die Prüfmasse zu tragen. Die elastischen Elemente sind zwischen der Prüfmasse und dem Anker gekoppelt, um die Prüfmasse zu tragen. Geometrie und Konfiguration dieser elastischen Elemente sind eingestellt, um eine durch thermomechanische Belastung verursachte Verschiebung der Prüfmasse zu verringern.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Kompensieren von thermomechanischer Belastung, die sich in einer mikroelektromechanischen Struktur akkumuliert hat. Zuerst wird ein Grad der thermomechanischen Belastung bestimmt. Die thermomechanische Belastung verursacht eine Verschiebung einer Prüfmasse, die auf Beschleunigung reagiert, indem sie sich verschiebt und bezüglich einer Drehachse einer beweglichen Masse neigt. Anschließend werden ein Versatz und eine Drift der Empfindlichkeit entsprechend dem Grad der thermomechanischen Belastung bestimmt, und diese Werte werden mit einem Ausgangssignal verbunden, das von der Struktur als Reaktion auf die Beschleunigung erzeugt wird. Geometrie und Konfiguration der Vielzahl elastischer Elemente sind eingestellt, um den Versatz und die Empfindlichkeits-Drift zu kompensieren.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Out-of-plane-Beschleunigungssensor. Eine Prüfmasse ist über dem Substrat aufgehängt und reagiert auf Beschleunigung entlang einer z-Achse, indem sie sich verschiebt und bezüglich der Drehachse einer beweglichen Masse in der Ebene der Prüfmasse neigt. Elastische Elemente sind gekoppelt, um die Prüfmasse zu tragen, und Geometrie und Konfiguration der elastischen Elemente sind eingestellt, um eine durch thermomechanische Belastung verursachte Verschiebung der Prüfmasse zu verringern.
Bestimmte Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden in diesem zusammenfassenden Abschnitt allgemein beschrieben; zusätzliche Eigenschaften, Vorteile und Ausführungsformen werden hier vorgestellt oder sind für einen Fachmann angesichts der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche offensichtlich. Demgemäß sollte einzusehen sein, dass der Umfang der Erfindung nicht durch die in diesem zusammenfassenden Abschnitt offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt sein soll.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun wird Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Figuren dargestellt sein können. Diese Figuren sollen nur veranschaulichend, nicht einschränkend sein. Obwohl die Erfindung allgemein im Kontext dieser Ausführungsformen beschrieben ist, versteht es sich, dass nicht beabsichtigt ist, den Umfang der Erfindung auf diese besonderen Ausführungsformen zu beschränken.
1A zeigt einen kapazitiven z-Achsen-Beschleunigungssensor, und
1B zeigt seine Reaktion auf eine Beschleunigung außerhalb der Ebene.
2A und 2B zeigen eine beispielhafte Ansicht von oben eines Out-of-plane-Beschleunigungssensors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
3A bis 3C zeigen den Einfluss der Verziehens des Substrats auf die Abstände der Kondensatoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
4A zeigt ein beispielhaftes Diagramm eines T-förmigen elastischen Elements gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
4B zeigt ein anderes beispielhaftes Diagramm eines T-förmigen elastischen Elements gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
4C zeigt ein anderes beispielhaftes Diagramm eines T-förmigen elastischen Elements, das einen Umweg auf einem Arm gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung enthält.
5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm eines Out-of-plane-Beschleunigungssensors, der Chip-Platz einspart, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
6 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kompensieren von thermomechanischer Belastung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der folgenden Beschreibung sind zum Zweck der Erläuterung besondere Einzelheiten dargelegt, um ein Verstehen der Erfindung zu gewährleisten. Einem Fachmann wird jedoch offensichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese Einzelheiten umgesetzt werden kann. Ein Fachmann wird erkennen, dass unten beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Vielfalt von Weisen und unter Verwendung einer Vielfalt von Mitteln durchgeführt werden können. Fachleute werden auch erkennen, dass zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen in ihrem Umfang liegen, ebenso zusätzliche Gebiete, auf denen die Erfindung Nutzen bringen kann. Demgemäß sind die unten beschriebenen Ausführungsformen erläuternd für besondere Ausführungsformen der Erfindung und sind dazu gedacht, Verschleiern der Erfindung zu vermeiden.
Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes besonderes Merkmal, ein Aufbau, eine Eigenschaft oder Funktion in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Das Erscheinen des Ausdrucks „in einer Ausführungsform” oder dergleichen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung muss sich nicht unbedingt immer auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
Weiter sind Verbindungen zwischen Bauteilen oder zwischen Verfahrensschritten in den Figuren nicht auf Verbindungen beschränkt, die direkt betroffen sind. Stattdessen können in den Figuren dargestellte Verbindungen zwischen Bauteilen oder Verfahrensschritten abgeändert oder anderweitig durch Hinzufügen von Zwischen-Bauteilen oder -Verfahrensschritten verändert werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine mikroelektromechanische Struktur (MEMS) und spezieller, Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Kompensieren der Wirkung von thermomechanischer Belastung, indem elastische Elemente aufgenommen und eingestellt werden, die dazu benutzt werden, eine bewegliche Prüfmasse und Anker zu koppeln, die in der MEMS-Vorrichtung enthalten sind. Die thermomechanische Belastung in der Struktur wird durch Temperaturänderungen verursacht, die im Betrieb oder im Verlauf der Herstellung, Gehäuseunterbringung und des Zusammenbaus auftreten. Die thermomechanische Belastung kann die Positionen der verschiedenen in der Struktur enthaltenen Teile beeinflussen, und folglich ist die bewegliche Masse einer unterschiedlichen relativen Verschiebung ausgesetzt. Die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung, z. B. Empfindlichkeit, Offset und Vollausschlagsbereich der Struktur, kann wesentlich beeinträchtigt werden. Diese thermomechanische Belastung beeinflusst die meisten auf MEMS beruhenden Sensoren, da Temperaturänderungen während des Produktionsprozesses oder über ihre Lebensdauer unvermeidbar sind. In dieser Offenbarung der Erfindung wird ein z-Achsen-out-of-plane-Beschleunigungssensor als eine spezielle Ausführungsform verwendet, um ein Belastungs-Kompensations-System, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu veranschaulichen, das auf der Aufnahme und dem Einstellen der elastischen Elemente beruht.
2A und 2B zeigen eine beispielhafte Ansicht von oben und einen beispielhaften Querschnitt eines Out-of-plane-Beschleunigungssensors 200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Der Out-of-plane-Beschleunigungssensor umfasst eine bewegliche Prüfmasse 202, die durch elastische Elemente 204A und 204B an einem Substrat 250 verankert ist. Die elastischen Elemente 204A und 204B sind gestaltet, eine durch thermomechanische Belastung hervorgerufene Verschiebung zu kompensieren. Als Folge davon ist der Out-of-plane-Beschleunigungssensor 200 weniger empfindlich gegen thermomechanische Belastung.
Der Beschleunigungssensor 200 ist symmetrisch bezüglich einer y-Achse, die parallel zur Prüfmasse 202 ist und durch ihre Mitte verläuft. Auf jeder Seite der y-Achse umfasst die bewegliche Prüfmasse 202 eine Kopplungsstelle 208A oder 208B. Eine Vielzahl von Ankern ist auf dem Substrat 250 befestigt und symmetrisch bezüglich der y-Achse auf zwei Seiten der Prüfmasse 202 angeordnet. Die Prüfmasse 202 ist mit dem Substrat 250 über die elastischen Elemente und die Anker gekoppelt.
In dieser speziellen Ausführungsform werden vier Anker 210A, 210B, 210C und 210D angewendet. Auf einer Seite der y-Achse wird ein erstes elastisches Element 204A benutzt, um die Prüfmasse 202 an Kopplungsstelle 208A mit Ankern 210A und 210B zu koppeln. Auf der andere Seite der y-Achse wird ein zweites elastisches Element 204B benutzt, um die Prüfmasse 202 an Kopplungsstelle 208B mit Ankern 210C und 210D zu koppeln.
In einer Ausführungsform sind die Kopplungsstellen 208A und 208B in Richtung der y-Achse zurückgesetzt. In einer Ausführungsform ist jedes der elastischen Elemente 204A und 204B als eine T-förmige Struktur gestaltet, mit der an einer entsprechenden zurückgesetzten Kopplungsstelle ein Paar Anker mit der Prüfmasse gekoppelt wird.
Eine x-Achse verbindet die Kopplungsstellen 208A und 208B an der Prüfmasse und unterteilt die bewegliche Prüfmasse 202 in zwei Felder 202A und 202B. Die x-Achse bildet eine Drehachse der beweglichen Masse bezüglich der die Prüfmasse sich neigen kann. Zwei getrennte Elektroden 212A und 212B sind auf dem Substrat ausgebildet und unterhalb der Felder 202A, bzw. 202B gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die Felder 202A und 202B gleiche oder unterschiedliche Größen aufweisen, je nach den Anforderungen des Beschleunigungssensors 200. Ebenso können die Elektroden 212A und 212B auch gleiche oder unterschiedliche Größen aufweisen, die nicht notwendigerweise gleich denen der Felder 202A und 202B sind. Zwei getrennte Kondensatoren sind jeweils zwischen der Elektrode 212A und dem Feld 202A und zwischen der Elektrode 212B und dem Feld 202B ausgebildet. In einer Ausführungsform haben die Elektroden 212A und 212B dieselbe Größe, so dass ungeachtet der Größe ihrer Felder diese beiden Kondensatoren angepasste Kapazitätswerte aufweisen, wenn ihre Kondensator-Abstände gleich sind.
In einer Ausführungsform wird der Out-of-plane-Beschleunigungssensor 200 mit einem Oberflächen-Mikrobearbeitungs-Prozess hergestellt. Mit Blick auf den Querschnitt bei Linie A (2B) ist das Substrat 250 aus Silizium hergestellt, und eine leitfähige Schicht ist auf dem Substrat 250 abgeschieden. Diese Schicht besteht aus Polysilizium oder Metall, und beide Elektroden 212A und 212B sind auf dieser Schicht ausgebildet. Anschließend wird eine Opferschicht abgeschieden, um die Elektroden 212A und 212B zu bedecken, und Öffnungen werden aus der Opferschicht geätzt, um Stellen für die Anker 210A bis 210D zu reservieren. Diese Öffnungen werden gefüllt, wenn eine zusätzliche Massenmaterialschicht über der Opferschicht abgeschieden wird. Die Prüfmasse 202, die elastischen Elemente 204A und 204B und die Anker 210A bis 210D werden anschließend aus der Massenmaterialschicht gestaltet. Der Oberflächen-Mikrobearbeitungs-Prozess endet mit einem letzten Schritt des Entfernens der Opferschicht und des Freisetzens des Beschleunigungssensors 200, und die Prüfmasse 202 ist aufgehängt und über die Anker 210A bis 210D mit dem Substrat 250 verankert.
In bestimmten Ausführungsformen können zusätzliche Schichten aus Massenmaterialien auf den Feldern 202A und 202B abgeschieden sein, und die Prüfmasse 202 kann eine Dicke aufweisen, die sich von der der elastischen Elemente unterscheidet. Diese zusätzlichen Schichten aus Massenmaterial müssen nicht dieselben bleiben wie das für die elastischen Elemente benutzte Massenmaterial.
Dieser Beschleunigungssensor 200 muss elektrisch angeschlossen, sicher in einem Gehäuse untergebracht und in einem Messsystem montiert werden. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Beschleunigungssensor 200 eine eigenständige Vorrichtung, die in einem Sockel-Gehäuse oder einem hermetisch dichten Gehäuse geschützt ist. Das hermetisch dichte Gehäuse kann in einem Wafer-Bond-Prozess ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen beruht der Wafer-Bond-Prozess auf einem Glas-Silizium-, Silizium-zu-Silizium-, Metall-zu-Metall- oder Silizium-zu-Metall-Bonden zwischen dem Substrat 250 und einer Gehäuse-Abdeckung. Die zwei Elektroden 212A–212B und die Prüfmasse 202 sind aus dem hermetisch dichten Gehäuse heraus gekoppelt. In bestimmten Ausführungsformen ist der Beschleunigungssensor 200 eine Vorrichtung, die mit einem Auslese-Schaltkreis integriert ist, der auf demselben Substrat 250 ausgebildet ist. Der integrierte Beschleunigungssensor 200 muss in gleicher Weise in einem Gehäuse geschützt und elektrisch nach außen gekoppelt sein.
Thermomechanische Belastung wird während der oben angegebenen Herstellungs-, Gehäuseunterbringungs- und Zusammenbau-Prozesse eingeführt. Die Elektroden und die Prüfmasse können in einer Umgebung mit erhöhter Temperatur ausgebildet werden. Prozeduren zur hermetischen Gehäuseunterbringung und zum Bonden können ebenfalls mit einer erhöhten Temperatur verbunden sein. Wenn der Beschleunigungssensor 200 abgekühlt wird und bei Raumtemperatur arbeitet, wird thermomechanische Belastung aufgebaut, was ein leichtes Verziehen des Substrats und eine Deformation der Prüfmasse verursacht. Durch die thermomechanische Belastung wird auf beiden Seiten der Drehachse der beweglichen Masse, der x-Achse, der Prüfmasse eine Verschiebung hervorgerufen.
Die 3A bis 3C zeigen den Einfluss der Verziehens des Substrats auf die Abstände der Kondensatoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Die Abstände sind für zwei Kondensatoren 220A und 220B bei einem idealen Herstellungs- und Gehäuseunterbringungs-Prozess gleich, und somit stimmen ihre Kapazitäten überein (3A). In seltenen Fällen ist das Verziehen des Substrats symmetrisch bezüglich der x-Achse, und die Abstände g1 und g2 weichen in dieselbe Richtung ab (3B). Obwohl sich die Kapazitäts-Verschiebungen der Kondensatoren 220A und 220B kompensieren, wird die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors durch die Abweichung der Abstände geändert.
In den meisten Fällen stimmen die Kapazitätsänderungen, ungeachtet dessen, wie klein sie sind, der Kondensatoren 220A und 220 nicht überein (3C). In einer gemessenen Beschleunigung außerhalb der Ebene können ein Offset und eine Empfindlichkeits-Drift enthalten sein, weil diese Beschleunigung aus der Kapazitätsänderung abgeleitet wird.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die elastischen Elemente 204A und 204B gestaltet, die thermomechanische Belastung zu kompensieren. In einer Ausführungsform ist jedes der elastischen Elemente 204A und 204B anfänglich entlang der y-Achse justiert, d. h. asymmetrisch bezüglich der x-Achse, um Wirkungen der thermomechanischen Belastung auf diese beiden Kondensatoren zu kompensieren. Dies ist vor allem dadurch bedingt, dass die Kondensatoren 220A und 220B auf zwei gegenüber liegenden Seiten der x-Achse angeordnet sind.
4A zeigt ein beispielhaftes Diagramm eines T-förmigen elastischen Elements 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Zusätzlich zu den Längen L1, L2 und L3 ist auch die Breite jedes einzelnen Arms oder Schenkels (W1, W2 oder W3) einstellbar. Die Lage der Ausschnitte 208A bis 208B und Anker 210A bis 210D ist entsprechend eingestellt, um wünschenswerte Längen und Breiten zu erhalten. Außerdem kann die Dicke des T-förmigen elastischen Elements 400 ebenfalls insgesamt geändert sein. Diese geometrischen Parameter sind mit der Steifheit des elastischen Elements 400 verbunden, und ihre Einstellung kann die entsprechende Sensor-Leistungsfähigkeit beeinflussen, wie etwa die Empfindlichkeit und den Vollausschlags-Bereich.
Um die thermomechanische Belastung effektiv zu kompensieren, müssen die Breiten und die Längen der beiden Arme der T-Form besonders gestaltet sein. Es werden zwei elastische Elemente 400 angewendet, um den Beschleunigungssensor 200 zu tragen, und es sind identische elastische Elemente, die bezüglich der y-Achse gespiegelt sind. Bei jedem elastischen Element müssen zwei Arme angewendet werden, um die thermomechanische Belastung zu kompensieren, und diese beiden Arme sind nicht notwendigerweise symmetrisch. In einer Ausführungsform weist Arm 402 jeweils eine größere Breite W1 aber eine kürzere Länge L1 auf als eine Breite W2 und eine Länge L2 des Arms 404. 4B zeigt ein anderes beispielhaftes Diagramm 450 eines T-förmigen elastischen Elements gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Die Arme 402 und 404 weisen abgeschrägte Breiten auf, die sich mit unterschiedlichen Winkeln aufweiten.
4C zeigt ein anderes beispielhaftes Diagramm 480 eines T-förmigen elastischen Elements, das einen Umweg auf einem Arm gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung enthält. Es wird ein Umweg 482 benutzt, um die von der Deformation des Substrats kommenden Abstands-Änderungen einzustellen. Größe, Position und Form des Umwegs werden entsprechend einem Grad der Deformation des Substrats und der Konfiguration der elastischen Elemente bestimmt.
In einer Ausführungsform enthält der andere Arm ebenfalls einen anderen Umweg, der eine andere Größe, Form oder Lage aufweisen kann. In bestimmten Ausführungsformen kann mehr als ein Umweg entlang eines Arms oder entlang beider Arme angewendet werden. Die Anzahl der Umwege wird ebenfalls entsprechend einem Grad der Deformation des Substrats und der Konfiguration der elastischen Elemente bestimmt. In bestimmten Ausführungsformen sind Abschnitte eines Arms komplett durch Umwege ersetzt, und der Arm weist eine Serpentinenform auf.
5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm eines Out-of-plane-Beschleunigungssensors 500, der Chip-Platz einspart, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Anker 210A bis 210D sind ebenfalls gegen die y-Achse zurückgesetzt und in einem Umfangs-Grundriss der Prüfmasse 202 vollständig eingeschlossen. Elastische Elemente 204A und 204B sind gestaltet, die thermomechanische Belastung zu kompensieren, die im Verlauf der Herstellung, Gehäuseunterbringung und des Zusammenbaus aufgebaut wird. Die Geometrie der Prüfmasse 202 ist eingestellt, um die Konfiguration der elastischen Elemente aufzunehmen. Folglich kann Chip-Platz eingespart werden, während die Größe der Prüfmasse für eine erhöhte Empfindlichkeit maximiert wird.
6 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm 600 eines Verfahrens zum Kompensieren von thermomechanischer Belastung, die sich in einer MEMS-Vorrichtung akkumuliert hat, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar. Die thermomechanische Belastung verursacht eine Verschiebung zu beiden Seiten einer Prüfmasse, die auf Beschleunigung reagiert, indem sie sich verschiebt und bezüglich einer Drehachse einer beweglichen Masse, d. h. der x-Achse, neigt. In Schritt 602 wird der Grad der thermomechanischen Belastung der Struktur bestimmt. In einer Ausführungsform werden empirische thermomechanische Belastungsgrade für verschiedene Vorrichtungen aufgezeichnet, die gemäß einer bestimmten Prozedur hergestellt, im Gehäuse untergebracht und zusammengebaut werden. Diese empirischen thermomechanischen Belastungsgrade werden unter Verwendung einer Monte-Carlo-Methode analysiert, um einen Nennwert des Belastungsgrades vorzusehen, der dazu benutzt werden kann, die elastischen Elemente zu gestalten.
In Schritt 604 wird der thermomechanische Belastungsgrad in einen Offset-Wert und eine Empfindlichkeits-Drift umgewandelt. In einer Ausführungsform sind der Offset-Wert und die Empfindlichkeits-Drift mit der gemessenen Beschleunigung außerhalb der Ebene verbunden, und somit in der Einheit g, d. h. der Erdbeschleunigung, dargestellt. In Schritt 606 wird eine Vielzahl elastischer Elemente aufgenommen, um die Prüfmasse zu tragen, und die Geometrie und Konfiguration der Elemente werden eingestellt, um den Offset und die Empfindlichkeits-Drift zu kompensieren. Die elastischen Elemente sind an den Kopplungsstellen gekoppelt, die symmetrisch auf zwei gegenüber liegenden Seiten der Prüfmasse angeordnet sind. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die elastischen Elemente verschiedene Breiten, Längen und Formen ihrer Arme annehmen oder einen Umweg oder eine Anzahl von Umwegen auf ihren Armen enthalten.
Ein Fachmann weiß, dass ein Out-of-plane-Beschleunigungssensor 200 als Beispiel einer MEMS-Vorrichtung benutzt wird, die auf einer beweglichen Prüfmasse beruht. Diese MEMS-Vorrichtung kann verwendet werden, um neben der Beschleunigung andere Parameter zu messen Das MEMS beruht auf einer Prüfmasse, um auf beliebige andere Parameter zu reagieren, und die Prüfmasse ist durch elastische Elemente mit mindestens einem Anker gekoppelt. Die in einer solchen MEMS-Vorrichtung aufgebaute thermomechanische Belastung kann kompensiert werden, indem Geometrie und Konfiguration von elastischen Elementen, die dazu benutzt werden, eine Prüfmasse zu tragen, gemäß den in der vorliegenden Erfindung genau beschriebenen Verfahren eingestellt werden.
Während die Erfindung empfänglich für verschiedene Abänderungen und alternative Formen ist, wurden besondere Beispiele davon in der Zeichnung gezeigt und sind hier genauer beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die besonderen offenbarten Formen beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil soll die Erfindung alle Abänderungen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Umfang der angehängten Ansprüche fallen.

Claims

Mikroelektromechanische Struktur, umfassend: ein Substrat; eine Prüfmasse, aufgehängt über dem Substrat, wobei die Prüfmasse auf Beschleunigung reagiert, indem sie sich verschiebt und bezüglich einer Drehachse einer beweglichen Masse neigt, die sich in der Ebene der Prüfmasse befindet; mindestens einen Anker, der auf dem Substrat befestigt ist, wobei der mindestens eine Anker gekoppelt ist, um die Prüfmasse zu tragen; und eine Vielzahl elastischer Elemente, die zwischen dem mindestens einen Anker und der Prüfmasse gekoppelt sind, wobei Geometrie und Gestaltung der Vielzahl elastischer Elemente eingestellt sind, um eine durch thermomechanische Belastung verursachte Verschiebung der Prüfmasse zu verringern.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend zwei Elektroden, die auf zwei gegenüber liegenden Seiten der Drehachse der beweglichen Masse am Substrat befestigt sind, wobei die beiden Elektroden mit der Prüfmasse zwei getrennte Kondensatoren ausbilden, wobei ein Ungleichgewicht zwischen Kapazitäten der beiden Kondensatoren sowohl mit der Beschleunigung als auch mit der thermomechanischen Belastung verbunden ist.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 1, wobei eine erste Teilmenge und eine zweite Teilmenge der Vielzahl elastischer Elemente angeordnet sind, die Prüfmasse von zwei gegenüber liegenden Seiten zu tragen, und die erste und die zweite Teilmenge elastischer Elemente in ihrer Geometrie und Gestaltung bezüglich einer Mittellinie gespiegelt sind, die senkrecht zur Drehachse der beweglichen Masse ist und eine Mitte der Prüfmasse durchläuft.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 1, wobei die Struktur eingesetzt wird, eine Beschleunigung außerhalb der Ebene zu messen, die senkrecht zur Ebene der Prüfmasse verläuft.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 1, wobei mindestens eins aus der Vielzahl elastischer Elemente ein T-förmiges Element ist, das einen Schenkel zur Kopplung mit der Prüfmasse und Arme zur Verankerung an dem mindestens einen Anker aufweist.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 5, wobei die Arme des T-förmigen Elements sich auf den beiden gegenüber liegenden Seiten der Drehachse der beweglichen Masse befinden und voneinander unterschiedliche Breiten und Längen aufweisen.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 5, wobei die Arme des T-förmigen Elements sich auf den beiden gegenüber liegenden Seiten der Drehachse der beweglichen Masse befinden und abgeschrägte Breiten aufweisen, die sich mit unterschiedlichen Winkeln aufweiten.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 5, wobei mindestens einer der Arme des T-förmigen Elements mindestens eine Umweg-Struktur enthält.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 1, wobei die Prüfmasse entlang der Drehachse der beweglichen Masse an Kopplungsstellen ausgespart ist, an denen die Vielzahl elastischer Elemente gekoppelt ist.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 9, wobei die Prüfmasse ferner an den Stellen für den mindestens einen Anker ausgespart ist, so dass sowohl der mindestens eine Anker als auch die Vielzahl elastischer Elemente in einem Umriss der Prüfmasse enthalten sind.
Verfahren zum Kompensieren von thermomechanischer Belastung, die sich in einer mikroelektromechanischen Struktur akkumuliert hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen eines Grades der thermomechanischen Belastung, die sich in der Struktur akkumuliert hat, wobei die thermomechanische Belastung eine Verschiebung einer Prüfmasse verursacht, die auf Beschleunigung reagiert, indem sie sich verschiebt und bezüglich der Drehachse einer beweglichen Masse neigt; Bestimmen eines Offset-Wertes und einer Empfindlichkeits-Drift, die mit einem Ausgangssignal gemäß dem Grad der thermomechanischen Belastung verbunden ist, wobei das Ausgangssignal durch die Struktur als Reaktion auf die Beschleunigung erzeugt wird; und Einstellen von Geometrie und Gestaltung einer Vielzahl elastischer Elemente, um Offset und Empfindlichkeits-Drift zu kompensieren, wobei die Vielzahl elastischer Elemente, die zwischen mindestens einem Anker und der Prüfmasse gekoppelt sind, dazu verwendet wird, die Prüfmasse zu tragen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens eins aus der Vielzahl elastischer Elemente ein T-förmiges Element ist, das einen Schenkel zur Kopplung mit der Prüfmasse und Arme zur Verankerung an dem mindestens einen Anker aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Arme des T-förmigen Elements sich auf den beiden gegenüber liegenden Seiten der Drehachse der beweglichen Masse befinden und voneinander unterschiedliche Breiten und Längen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Arme des T-förmigen Elements sich auf den beiden gegenüber liegenden Seiten der Drehachse der beweglichen Masse befinden und abgeschrägte Breiten aufweisen, die sich mit unterschiedlichen Winkeln aufweiten.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei mindestens einer der Arme des T-förmigen Elements mindestens eine Umweg-Struktur enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Prüfmasse entlang der Drehachse der beweglichen Masse an Kopplungsstellen ausgespart ist, an denen die Vielzahl elastischer Elemente gekoppelt ist.
Out-of-plane-Beschleunigungssensor, umfassend: ein Substrat; eine Prüfmasse, aufgehängt über dem Substrat, wobei die Prüfmasse auf Beschleunigung entlang einer z-Achse reagiert, indem sie sich verschiebt und bezüglich einer Drehachse einer beweglichen Masse neigt, die sich in der Ebene der Prüfmasse befindet; mindestens einen Anker, der auf dem Substrat befestigt ist, wobei der mindestens eine Anker gekoppelt ist, um die Prüfmasse zu tragen; und eine Vielzahl elastischer Elemente, die zwischen dem mindestens einen Anker und der Prüfmasse gekoppelt sind, wobei Geometrie und Gestaltung der Vielzahl elastischer Elemente eingestellt sind, um eine durch thermomechanische Belastung verursachte Verschiebung auf beiden Seiten der Drehachse der Prüfmasse zu verringern.
Out-of-plane-Beschleunigungssensor nach Anspruch 17, wobei eine erste Teilmenge und eine zweite Teilmenge der Vielzahl elastischer Elemente angeordnet sind, die Prüfmasse von zwei gegenüber liegenden Seiten der Prüfmasse zu tragen, und die erste und die zweite Teilmenge elastischer Elemente in ihrer Geometrie und Gestaltung bezüglich einer Mittellinie gespiegelt sind, die senkrecht zur Drehachse der beweglichen Masse ist und eine Mitte der Prüfmasse durchläuft.
Out-of-plane-Beschleunigungssensor nach Anspruch 17, wobei mindestens eins aus der Vielzahl elastischer Elemente ein T-förmiges Element ist, das einen Schenkel zur Kopplung mit der Prüfmasse und Arme zur Verankerung an dem mindestens einen Anker aufweist.
Out-of-plane-Beschleunigungssensor nach Anspruch 17, wobei die Prüfmasse sowohl entlang der Drehachse der beweglichen Masse an Kopplungsstellen, an denen die Vielzahl elastischer Elemente gekoppelt ist, als auch an den Stellen für den mindestens einen Anker ausgespart ist, so dass sowohl der mindestens eine Anker als auch die Vielzahl elastischer Elemente in einem Umriss der Prüfmasse enthalten sind.