DE102014202819A1

DE102014202819A1 - Mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102014202819A1
Application number: DE102014202819.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-08-20
Also published as: US10215772B2; KR20160120775A; CN106461701A; KR102221976B1; WO2015120940A1; CN106461701B; US20170052207A1

Abstract

Mikromechanische Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor (200), aufweisend: – eine seismische Masse (10), die bezogen auf die rotatorische z-Achse (A) der Struktur (100) des Beschleunigungssensors (200) definiert asymmetrisch ausgebildet ist; – Federelemente (20, 20´, 21, 21´), die an der seismischen Masse (10) und an wenigstens einem Fixierelement (30) fixiert sind; – wobei mittels der Federelemente (20, 20´, 21, 21´) eine rotatorische Bewegung der seismischen Masse (10) im Wesentlichen nur bei einer Beschleunigung in eine definierte Sensierrichtung innerhalb einer zur rotatorischen z-Achse (A) im Wesentlichen orthogonal ausgebildeten Ebene generierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind kapazitive mikromechanische Beschleunigungssensoren bekannt, die zum Beispiel für Anwendungen im Automobilmobilbereich oder im Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt werden. Insbesondere im Automobilbereich ist eine der großen Herausforderungen, derartige Sensoren möglichst vibrationsrobust auszulegen. Aus diesem Grund ist es für einen mikromechanischen Beschleunigungssensor wünschenswert, eine Übertragungsfunktion zu realisieren, bei der niedrige Frequenzen im Bereich des Nutzbandes (typische Bandbreite ca. 10–ca. 400 Hz) „glatt“ übertragen werden und höhere Frequenzen aufgrund von unerwünschten Vibrationsanregungen wirksam unterdrückt werden.
Zu einer Unterdrückung von hohen Auslenkungsamplituden werden Beschleunigungssensoren im allgemeinen in einer Sensorkaverne mit relativ hohem Innendruck von etlichen 100 mbar hermetisch gekapselt, oftmals werden hierfür Gase mit hoher Viskosität, wie z.B. Neon verwendet. Das eingeschlossene Gas sorgt für eine hohe Dämpfung der mikromechanischen Struktur. Meistens sind die genannten Sensoren überdämpft, so dass auch im Bereich der mechanischen Eigenfrequenz f₀ von typischerweise einigen Kilohertz keine Resonanzüberhöhung auftritt.
Die Dämpfung bewirkt somit ein mechanisches Tiefpassverhalten, allerdings ist die Amplitudenunterdrückung mit maximal 20 dB/Frequenzdekade nur relativ schwach ausgebildet. Zu einem steileren Abfall der Übertragungsfunktion mit 40 dB/Frequenzdekade gelangt man oberhalb der Eigenfrequenz. Es ist daher für eine Erhöhung der Vibrationsfestigkeit wünschenswert, einen Sensor mit möglichst niedriger Eigenfrequenz von z.B. 1 kHz oder noch tiefer zu konstruieren. Bei einem lateralen Beschleunigungssensors (das heißt mit einer Sensierempfindlichkeit parallel zu einer Chipebene) gemäß dem Stand der Technik sind diesem Bestreben aber enge Grenzen gesetzt.
Diese Sensoren lassen sich vereinfacht als ein Feder-Masse-System beschreiben, deren Auslenkung nach dem Hooke´schen Gesetz über: m·a = k·x (1) berechnet werden kann.

m: ... Masse
a: ... Beschleunigung
k: ... Federkonstante
x: ... Auslenkung

Für die Auslenkung x erhält man: x = m·a/k (2) oder nach Umformung mit der Eigenfrequenz f₀: x = a/(4·π²·f₀ ²) (3)
Die Auslenkungsamplitude x nimmt also bei Abnahme der Resonanzfrequenz quadratisch zu.
Ein typischer Sensor für so genannte Nieder-g-Applikationen mit Messbereichen von einigen g (z.B. für ESP oder Berg-Anfahr-Assistent) hat eine Eigenfrequenz von 3 kHz und lenkt bei einer Beschleunigung von 1 g um ca. 28 nm aus. Bei einem Sensor mit einer Eigenfrequenz von 1 kHz würde sich dieser Wert bereits auf ca. 250 nm vergrößern. Da die Beschleunigungssensoren selbst in den Nieder-g-Applikationen einen Dynamikbereich bzw. eine Überlastrobustheit von 20 g oder sogar 50 g haben müssen (also nicht mechanisch anschlagen oder „clippen“ dürfen), müsste ein derartiger Beschleunigungssensor mit 50 g Clipping-Beschleunigung eine Auslenkung von mehr als 12 µm erlauben.
Typische Spalte bzw. Gaps in den meistens verwendeten Plattenkondensatoranordnungen zwischen beweglichen und festen Elektroden von kapazitiven Beschleunigungssensoren betragen hingegen nur ca. 2 µm. Bei einer Aufweitung des Gaps auf 12 µm nähme die Empfindlichkeit der Einzelelektrode ca. um einen Faktor 36 ab, weil die Empfindlichkeit dC/dx invers quadratisch vom Gap abhängt.
Zudem könnten auf gleicher Fläche nur deutlich weniger Elektroden realisiert werden, so dass eine Gesamtempfindlichkeit sogar noch stärker abnähme und somit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis intolerabel schlecht wäre.
Eine Alternative zu Plattenelektroden stellen sogenannte Kammelektroden dar, wie z.B. aus DE 10 2006 059 928 A1 bekannt, bei denen größere Auslenkungen möglich sind. Bei Kammelektroden sind allerdings die Dämpfungskräfte wesentlich geringer, so dass möglicherweise kein überkritisch gedämpfter Sensor realisiert werden kann. Zudem stellen die erforderlichen hohen Auslenkungen schwer zu beherrsche Herausforderungen an ein Federdesign dar, da die Federn nicht nur in Antriebsrichtung weich werden, sondern auch in den Querrichtungen unerwünschter weise deutlich an Steifigkeit und damit an Überlastfestigkeit einbüßen. Die Zwangsverknüpfung von Eigenfrequenz und mechanischer Empfindlichkeit setzt den Möglichkeiten der Resonanzfrequenzerniedrigung von mikromechanischen lateralen Beschleunigungssensors also recht enge Grenzen.
Bekannt sind aus EP 0 244 581 B1 und EP 0 773 443 B1 ferner z-Beschleunigungssensoren nach dem Wippenprinzip. Vorteilhaft bei den z-Wippen ist die Tatsache, dass keine Zwangsverknüpfung von Eigenfrequenz und mechanischer Empfindlichkeit besteht. Die Eigenfrequenz f₀ des Sensors ist nämlich von der Torsionssteifigkeit k_t der Federn und dem Trägheitsmoment J der Wippe um die Rotationsachse nach folgender Beziehung abhängig: f₀ ² = [1/(2·π)²]·k_t/J (4)
Die mechanische Empfindlichkeit, also der Drehwinkel α pro Beschleunigung a ist zwar ebenfalls durch die Torsionssteifigkeit k_t der Federn, aber zusätzlich noch durch die Massenasymmetrie δ_m und das daraus resultierende Drehmoment gegeben: δα/da ~ δm·r_m/k_t (5)

δα/da: ... mechanische Empfindlichkeit
δ_m: ... Massenasymmetrie
r_m: ... Abstand des Massenschwerpunkts der asymmetrischen Masse von der Torsionsachse
k_t: ... Torsionssteifigkeit der Federn

Durch eine Verringerung der Torsionsfedersteifigkeit k_t oder durch eine Erhöhung des Gesamtträgheitsmoments J der Wippe lässt sich die Eigenfrequenz f₀ reduzieren. Reduziert man zugleich die Massenasymmetrie δm des Sensors, lässt sich die mechanische Empfindlichkeit des Sensors dennoch quasi beliebig klein halten und muss demnach in der Konstruktion des Sensors keine Vorhalte für eine große Bewegungsfreiheit schaffen. Dieses Prinzip, eine z-Wippe als einen mechanischen Tiefpass zu verwenden, ist in DE 10 2006 032 194 A1 beschrieben.
Bekannt sind ferner z-Wippen, die zugleich auch als x- und y-Lateral-Beschleunigungssensoren fungieren, wie z.B. aus DE 10 2008 001 442 A1 bekannt, wo ein so genannter „Einmasseschwinger“ offenbart ist. Ein Vorteil dieser Sensoren ist ihre sehr kompakte Bauweise: mit nur einer einzigen seismischen Masse und lediglich zwei Federn lässt sich ein dreikanaliger Beschleunigungssensor realisieren, der nicht nur bei z-Beschleunigung die normale Rotationsbewegung um die y-Achse ausführt, sondern auch bei x-Beschleunigung linear in x-Richtung auslenken kann und bei y-Beschleunigung mit einer Rotation um die z-Achse reagiert.
Bei der y-Sensierung wird eine Massenasymmetrie gegenüber der Drehachse ausgenutzt, und analog zum Funktionsprinzip der z-Wippe sind mechanische Empfindlichkeit und Eigenfrequenz um die z-Achse nicht hart korreliert. Möchte man allerdings lediglich einen einkanaligen Lateralsensor, z.B. einen reinen y-Sensor, realisieren, ist die Konstruktion des herkömmlichen Einmasseschwingers nicht optimal, da die Struktur in alle Raumrichtungen auslenkbar ist und daher bei Störbeschleunigungen in die beiden zur Nutzrichtung senkrechten Richtungen unerwünschte Signale (Übersprechen) liefern kann, insbesondere bei sehr starker Überlast, wenn die Struktur mechanisch clippt bzw. anschlägt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte mikromechanische Struktur für einen lateralen Beschleunigungssensor bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor, aufweisend:

– eine seismische Masse, die bezogen auf die rotatorische z-Achse der Struktur des Beschleunigungssensors definiert asymmetrisch ausgebildet ist;
– Federelemente, die an der seismischen Masse und an wenigstens einem Fixierelement fixiert sind;
– wobei mittels der Federelemente eine rotatorische Bewegung der seismischen Masse im Wesentlichen nur bei einer Beschleunigung in eine definierte Sensierrichtung innerhalb der zur rotatorischen z-Achse im Wesentlichen orthogonal ausgebildeten Ebene generierbar ist.

Im Ergebnis wird dadurch bei einer Lateralbeschleunigung der mikromechanischen Struktur in eine vorgesehene Richtung im Wesentlichen nur ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine definierte Drehachse zugelassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor, aufweisend die Schritte:

– Ausbilden einer seismischen Masse mit einer definierten Asymmetrie bezüglich einer rotatorischen z-Achse der Struktur;
– Ausbilden von Federelementen derart, dass die Federelemente an der seismischen Masse und an wenigstens einem Fixierelement fixiert sind, wobei mittels der Federelemente ein Bewegen der seismischen Masse im Wesentlichen nur bei einer Beschleunigung in eine definierte Sensierrichtung innerhalb einer zur rotatorischen Achse orthogonal ausgebildeten Ebene generierbar ist.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Struktur und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass das wenigstens eine Fixierelement in der rotatorischen z-Achse oder in Relation zu lateralen Abmessungen der Struktur nahe an der rotatorischen z-Achse angeordnet ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine große Designvielfalt für die mikromechanische Struktur unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass vier Federelemente gegeneinander ungefähr unter einem Winkel von 90 Grad angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein besonders günstiges Steifigkeitsverhalten des Sensors in nicht zu sensierende Beschleunigungsrichtungen bewirkt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass die Asymmetrie der seismischen Masse durch eine erste Zusatzmasse bewirkt wird. Mittels der Zusatzmasse kann eine mechanische Empfindlichkeit der Struktur definiert verändert werden, wobei die Zusatzmasse das Trägheitsmoment vorteilhaft nur geringfügig verändert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass die Federelemente in Relation zu ihrer Breite hoch ausgebildet sind. Auf diese Weise können vorteilhaft insbesondere Trampolinmoden der seismischen Masse verhindert werden, weil die Federelemente bei derartigen Moden auf Biegung beansprucht werden und eine Federdicke mit der dritten Potenz in die Federsteifigkeit eingeht.
Eine weitere Ausführungsform der Struktur sieht vor, dass die Federelemente ein Aspektverhältnis von größer als fünf aufweisen. Dadurch ergibt sich eine günstige Dimensionierung für die Federelemente in Bezug auf eine Auslenkungsempfindlichkeit in Richtung der rotatorischen Achse.
Eine günstige Weiterbildung der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass das wenigstens eine Fixierelement und Fixierelemente von Elektroden in Relation zu einer Flächenabmessung der Struktur nahe aneinander angeordnet sind.
Eine weitere günstige Weiterbildung der Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass das wenigstens eine Fixierelement und Fixierelemente von Elektroden weniger als ca. 20 % zur größten Seitenabmessung der Struktur voneinander beabstandet sind. Dies unterstützt eine günstige Nutzbarkeit von herkömmlichen Elektroden, wobei nicht allzu große Sensier-Gaps vorgehalten werden müssen, da bei einer Rotationsbewegung die Auslenkungen in Nähe der Rotationsachse vergleichsweise gering sind. Zudem kann ein von außen wirkender mechanischer Package-Stress auf die Struktur auf diese Weise vorteilhaft minimiert werden.
Eine günstige Weiterbildung der mikromechanischen Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass eine zweite Zusatzmasse zusätzlich zur seismischen Masse vorgesehen ist. Auf diese Weise kann alternativ erreicht werden, dass das Trägheitsmoment der Struktur erhöht wird, wobei eine Empfindlichkeit im Wesentlichen gleich bleibt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zusatzmasse durch ein anderes Material als die seismische Masse und die Zusatzmasse ausgebildet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass die Zusatzmasse und/oder die zweite Zusatzmasse zumindest teilweise oberhalb der seismischen Masse angeordnet ist. Auch auf die vorgehend genannten Weisen ist eine große Designvielfalt der mikromechanischen Struktur vorteilhaft unterstützt.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren bzw. unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind lediglich qualitativ und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren zeigt:
1 eine Grundform einer mikromechanischen Struktur;
2 die mikromechanische Struktur von 1 mit einer Hervorhebung von elektrischen Potentialen einzelner Bereiche;
3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur;
4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur;
5 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
6 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Beschleunigungssensors mit der mikromechanischen Struktur.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine an einem kartesischen Koordinatensystem ausgerichtete erste mikromechanische Struktur 100, anhand derer das Grundprinzip der Erfindung gut erläutert werden kann.
Die mikromechanische Struktur 100 ist im Wesentlichen in einer Funktionsschicht, vorzugweise Silizium, gebildet und umfasst eine seismische Masse 10, die mittels wenigstens eines Fixierelements 30, ersten Federelementen 20, 20´ und zweiten Federelementen 21, 21´ frei beweglich über einem Substrat (nicht dargestellt) aufgehängt ist. Eine rotatorische Achse A für die Struktur 100 kann man sich in z-Richtung durch das Fixierelement 30 ausgebildet vorstellen. Das Fixierelement 30 ist im einfachsten Fall einstückig ausgebildet und an einer einzigen zusammen hängenden Fläche im Zentrum der Struktur 100 am Substrat fixiert. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Fixierelement 30 in Relation zu lateralen Abmessungen der Struktur 100 nahe an der rotatorischen z-Achse A angeordnet ist.
Es ist alternativ denkbar, dass anstelle eines einzelnen Fixierelements 30 mehrere, bevorzugt zwei oder ganz bevorzugt vier getrennte Fixierelemente, die jeweils seitlich beabstandet von der rotatorischen Achse A am Substrat fixiert sind, verwendet werden (nicht dargestellt). Die Federelemente 20, 20, 21, 21´ sind vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal in einem rechten Winkel zueinander angeordnet und am Fixierelement 30 und an der seismischen Masse 10 befestigt. Alternativ zu den in 1 dargestellten Balkenfedern können auch komplexere Federformen, z. B. Mäanderfedern mit mehreren, im Wesentlichen parallel verlaufenden Federstegen verwendet werden (nicht dargestellt).
Die seismische Masse 10 weist eine Vielzahl von Perforationslöchern auf, die aufgrund eines oberflächenmikromechanischen Prozesses ausgebildet sind, bei dem bewegliche Strukturen über das Ätzen einer Oxidopferschicht unterhalb der Silizium-Funktionsschicht freigestellt werden, wobei die Perforationslöcher in der seismischen Masse 10 einen Zugang für Ätzgas in Bereiche unterhalb einer freizustellenden Struktur bereitstellen. Bei anderen Mikromechanik-Technologien kann auf derartige Perforationslöcher verzichtet werden.
An der seismischen Masse 10 sind bewegliche Elektroden 22 befestigt, denen für eine kapazitive Detektion von Auslenkungen feste Elektronenfinger 24 gegenüberstehen. Die festen Elektronenfinger 24 sind Teil der ersten Festelektroden FE1, die zusätzlich Elektrodenarme 26 und eine Elektrodenaufhängung 32 aufweisen. Mit der in 1 gezeigten Grundstruktur wird ein Trägheitsmoment der mikromechanischen Struktur 100 eingestellt.
Unterhalb der Struktur 100 befindet sich eine (nicht dargestellte) Leiterbahnebene, mit der die mikromechanische Struktur 100 elektrisch verdrahtet und mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden kann.
2 zeigt die gleiche mikromechanische Struktur 100 wie 1, deutet aber zusätzlich über unterschiedliche Schraffuren an, dass die ersten Festelektroden FE1 auf einem ersten elektrischen Auswertepotential und die zweiten Festelektroden FE2 auf einem zweiten elektrischen Auswertepotential liegen. Die bewegliche seismische Masse 10 liegt auf einem dritten elektrischen Potential, das am Fixierelement 30 angelegt wird.
Im linken Bereich der Struktur 100 sind in analoger Weise Festelektroden FE3 und FE4 angeordnet, die der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht bezeichnet sind.
Kapazitätsänderungen werden bevorzugt als Differenzsignale der Kapazitäten zwischen den ersten Festelektroden FE1 mit den beweglichen Elektrodenfingern 22 und den zweiten Festelektroden FE2 mit den beweglichen Elektronenfingern 42 ausgewertet.
Die mikromechanischen Strukturen 100 der 1 und 2 repräsentieren keinen lateralen Beschleunigungssensor, sondern könnten aufgrund ihrer symmetrischen Ausbildungen als Drehbeschleunigungssensoren zur Messung von Drehbeschleunigungen um die z-Achse verwendet werden. Linearbeschleunigungen in x- und y-Richtung führen hingegen zu keinen nennenswerten Auslenkungen, da gegenüber Beschleunigungen in y-Richtung die ersten Federelemente 20, 20´ extrem steif sind und gegenüber Beschleunigungen in x-Richtung die zweiten Federelemente 21, 21´ extrem steif sind. Minimale verbleibende Restauslenkungen führen, zumindest bei einer idealsymmetrischen Struktur 100, aufgrund des differentiellen Auswerteprinzips ebenfalls zu keinen elektrischen Detektionssignalen. Bei Linearbeschleunigung in z-Richtung wird die Masse zwar geringfügig ausgelenkt (in einer sogenannten „trampolinartigen“ Mode), aufgrund des differentiellen Auswerteprinzips entsteht dabei aber wiederum kein elektrisches Ausgangssignal.
Wählt man zudem die Funktionsschichtdicke h ausreichend groß, sind die Auslenkungen in z-Richtung auch bereits mechanisch stark unterdrückt, nämlich invers proportional zum Quadrat der Schichtdicke h. Besonders bevorzugt sind die Schichtdicken h ca. 20 µm und mehr. Insgesamt liegt hier also eine mikromechanische Struktur 100 vor, deren mechanische Empfindlichkeit gegenüber Linearbeschleunigungen sehr gering ist und deren elektrische Empfindlichkeit gegenüber Linearbeschleunigungen gleich Null ist. Bei geeigneter Auslegung der Federelemente 20, 20´, 21, 21´ und der seismischen Masse 10 ist die Rotationsbewegung um die z-Achse die Mode mit der mit Abstand niedrigsten Eigenfrequenz f₀. Mittels einer ausreichend großen Masse 10 und bezüglich der z-Rotation hinreichend biegeweichen Federelementen 20, 20´, 21, 21´ können für die Struktur 100 Eigenfrequenzen f₀ unterhalb von 1 kHz realisiert werden.
3 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 100, die sich von den Strukturen 100 von 1 und 2 nur darin unterscheidet, dass auf der rechten Seite der beweglichen seismischen Masse 10 eine erste seismische Zusatzmasse 50 hinzugefügt wurde. Die Zusatzmasse 50 kann dabei vorzugsweise integral mit der seismischen Masse 10 ausgebildet und kann beispielsweise mittels einer zusätzlichen Schichtabscheidung realisiert werden. Die erste Zusatzmasse 50 ist vorzugsweise in einer Größenordnung der gesamten seismischen Masse 10 von ca. 5–50% dimensioniert.
3 zeigt die erste Zusatzmasse 50 zur Verdeutlichung schraffiert hervorgehoben, wobei mit der Schraffur allerdings kein bestimmtes elektrisches Potential angedeutet werden soll. Durch die erste Zusatzmasse 50 und die damit erzeugte Asymmetrie bezüglich der z-Drehachse durch das Fixierelement 30 wird die mikromechanische Struktur 100 empfindlich gegenüber Beschleunigungen in y-Richtung und führt als Reaktion auf eine derartige laterale Beschleunigung eine Rotationsbewegung um die z-Achse aus. Für diese Bewegungsform liefern die Festelektroden FE1, FE2 ein elektrisches Differenzsignal. Beispielsweise bei Rotation der Masse 10 im Uhrzeigersinn werden die Kapazitäten zwischen den beweglichen Fingern 22 und den ersten Festelektroden FE1 zunehmen und zwischen den beweglichen Fingern 42 und den zweiten Festelektroden FE2 abnehmen.
Linearbeschleunigungen in x-Richtung führen aufgrund der in x-Richtung extrem steifen zweiten Federn 21, 21´ zu keinen nennenswerten Auslenkungen. Linearbeschleunigungen in z-Richtung haben die Tendenz, zusätzlich zur trampolinartigen Bewegungsmode, eine Rotationsbewegung der Struktur 100 um die durch die ersten Federelemente 20, 20´ aufgespannten, zur y-Richtung parallelen Achse zu generieren. Im Gegensatz zum oben erwähnten Einmasseschwinger, der nur die ersten Federelemente 20, 20´ aufweist, ist diese Rotationsbewegung durch die zweiten Federelemente 21, 21´ allerdings sehr stark behindert. Die Behinderung der Rotationsbewegung um die y-Achse ist umso stärker ausgeprägt, je grösser die Dicke h der Funktionsschicht der Federelemente 20, 20´ ist.
Eine mechanische Empfindlichkeit der mikromechanischen Struktur 100 in die y-Nutzrichtung, also der Rotationswinkel pro angelegter Beschleunigung, kann über die Wahl der ersten Zusatzmasse 50 beliebig eingestellt werden. Insbesondere kann mit einer kleinen ersten Zusatzmasse 50 eine geringe mechanische Empfindlichkeit bei gleichzeitig niedriger Eigenfrequenz f₀ eingestellt werden, denn die Eigenfrequenz f₀ wird vorwiegend durch die Federsteifigkeit und das Gesamtträgheitsmoment J und nur zu einem geringen Teil durch die kleine erste Zusatzmasse 50 bestimmt, die mechanische Empfindlichkeit hingegen durch die Federsteifigkeit und durch das über die erste Zusatzmasse 50 wirkende Drehmoment.
Eine grobe Abschätzung hat gezeigt, wie stark die Rotationsbewegung um die y-Achse und auch die trampolinartige Bewegung in z-Richtung im Vergleich zur Rotationsbewegung um die z-Achse behindert ist. Die Federsteifigkeit bezüglich der Rotationsbewegung wird, sofern die Schichtdicke h deutlich größer als die Federbreite b ist, durch die zweiten Federelemente 21, 21´ dominiert, welche auf Biegung belastet werden. Die Torsionssteifigkeit der ersten Federelemente 20, 20´ kann demgegenüber für eine Überschlagsrechnung vernachlässigt werden. Die Biegesteifigkeit k_y,rot der beiden zweiten Federelemente 21, 21´ in z-Richtung, d.h. bei Rotation um die y-Achse, verhält sich gemäß folgender Beziehung: k_y,rot ~ 2·b·h³/L³ (6)

b: ... Breite der Federelemente
h: ... Höhe der Federelemente
L: ... Länge der Federelemente

Die Biegesteifigkeit der vier Federelemente 20, 20´, 21, 21´ bezüglich Translationen in z-Richtung verhält sich gemäß folgender Beziehung: k_z,lin ~ 4·b·h³/L³ (7)
Die Biegesteifigkeit der vier Federelemente 20, 20´, 21, 21´ bezüglich Rotation um die z-Achse verhält sich gemäß folgender mathematischer Beziehung: k_z,rot ~ 4·b³·h/L³ (8)
Ferner gilt, dass das Trägheitsmoment der Struktur 100 um die z-Achse größenordnungsmäßig doppelt so groß ist wie das Trägheitsmoment um die y-Achse: J_z ~ 2·J_y (9)
Für das Verhältnis der Eigenfrequenzen für die beiden Rotationsbewegungen um die y- und die z-Achse erhält man damit: f_y,rot/f_z,rot ~ b/h (10)
Bei Breiten b der Federelemente von beispielsweise ca. 2 µm und einer Schichtdicke h von ca. 20 µm ist also die Eigenfrequenz f₀ der Nutzmode (Rotation um die z-Achse) etwa um einen Faktor 10 niedriger als jene der Störmode (Rotation um die y-Achse). Auch das Verhältnis der Frequenz der trampolinartigen Bewegung in z-Richtung im Verhältnis zur Nutzmodenfrequenz skaliert proportional zu b/h. Dementsprechend kann auch diese Trampolin-Bewegung über hinreichend schmale Federelemente 20, 20´, 21, 21´ und große Schichtdicken wirksam unterdrückt werden.
Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen Struktur 100 eine Realisierung einer Eigenfrequenz f₀ von 1 kHz oder weniger erreicht werden. Eine Möglichkeit dazu liegt in der spezifischen Dimensionierung von Breite b und Länge l der Federelemente 20, 20´, 21, 21´, wobei eine Breite b der Federelemente nach unten technologisch limitiert ist. Federbreiten von ca. 1 µm sind realisierbar, wobei Fertigungsstreuungen, insbesondere durch die Variation der Breite der Trenchgräben, die Toleranz der Federsteifigkeit gerade bei extrem dünnen Federn zu berücksichtigen sind. Die Länge L der Federelemente 20, 20´, 21, 21´ ist prinzipiell nur durch die Abmessungen der Gesamtstruktur limitiert, gegebenenfalls können auch mäandrierte Federelemente verwendet werden, die die effektive Federlänge erhöhen, ohne die Abmessungen der Federelemente 20, 20´, 21, 21´ wesentlich zu vergrößern. Der zweite wesentliche Parameter zur Realisierung einer niedrigen Eigenfrequenz f₀ ist die Bereitstellung einer hinreichend großen seismischen Masse 10 bzw. eines hinreichend großen Trägheitsmoments J. Eine Vergrößerung der Gesamtstruktur führt zu einer größeren Masse 10, bedeutet aber auch einen erhöhten Flächenverbrauch.
Alternativ zu einer Vergrößerung der Gesamtstruktur ist daher in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Struktur 100, wie in 4 gezeigt, vorgesehen, wenigstens Teile der seismischen Masse 10 mit einem Material 60 hoher Dichte (z.B. Wolfram) zu belegen und/oder die Perforationslöcher teilweise oder ganz mit einem derartigen Material zu verfüllen. Entsprechende technologische Realisierungsformen sind aus DE 10 2009 026 738 A1 und DE 10 2011 011 160 A1 bekannt.
Für die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur zu 100 ist auch eine Positionierung der Elektroden wesentlich, denn die für das elektrische Ausgangssignal relevante elektrische Empfindlichkeit hängt nicht nur von der mechanischen Empfindlichkeit ab, sondern entscheidend auch von der Elektrodenanordnung, der Elektrodenfläche, dem Elektrodengap und insbesondere auch dem Abstand der Elektrodenanordnung (des Elektroden-„Schwerpunkts“) von der zentralen Verankerung mittels des Fixierelements 30. Insbesondere durch eine geeignete Dimensionierung des Abstands von der Drehachse lässt sich die elektrische Empfindlichkeit über einen weiten Bereich skalieren, denn je kleiner der Abstand von der Drehachse ist, desto kleiner ist die Veränderung der Elektrodengaps bei der Rotation um die z-Achse. Es ist somit möglich, einen Sensor zu realisieren, der in einem von der Drehachse groß beabstandeten Außenbereich durchaus Auslenkungen von einigen Mikrometern haben kann, im Bereich der nahe an der rotatorischen Achse A angeordneten Elektroden jedoch nur vergleichsweise kleine Auslenkungen macht und somit eine Verwendung von Standard-Plattenelektroden erlaubt.
Es ist erkennbar, dass die Elektrodenaufhängungen bzw. Fixierelemente 32, 34, 36, 38 der Elektroden im Verhältnis zum Fixierelement 30 der seismischen Masse 10 relativ nahe aneinander angeordnet sind, was vorteilhaft den Effekt hat, dass eine Robustheit der Struktur 100 gegenüber Substratverbiegungen hoch ist. Dadurch kann ein von außen wirkender Stress einer Plastik-Umverpackung des Sensorelements auf das Substrat der mikromechanischen Struktur 100 vorteilhaft gering gehalten werden. Eine Güte von Kennlinien des Sensorelements ist auf diese Weise vorteilhaft erhöht.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass alle vorgehend beschriebenen Ausführungsformen der mikromechanischen Struktur 100 selbstverständlich lediglich als beispielhaft zu betrachten sind. Andere Konstruktionen der Federelemente 20, 20´, 21, 21´ sind denkbar, welche ebenfalls das vorgesehene Verhalten, d.h. eine leichte Rotier- bzw. Drehbarkeit um die z-Achse und eine erschwerte Bewegbarkeit bezüglich der anderen Rotationsachsen und aller Linearrichtungen, zeigen können. Insbesondere ist die Anzahl der Federelemente nicht auf vier beschränkt, wird aber als bevorzugt angesehen. Ebenso sind natürlich statt der rechteckigen seismischen Masse 10 rundere Formen mit leichten Massenasymmetrien denkbar.
Ferner sind auch alternative Elektrodenanordnungen denkbar, insbesondere strahlenförmig zum zentralen Fixierelement 30 orientierte Elektroden (nicht dargestellt), bei denen die Rotationsbewegung mit noch höherer Effizienz in Kapazitätsänderungen umgesetzt wird, oder auch dezentral aufgehängte Elektroden (nicht dargestellt), bei denen jeder Elektronenfinger einzeln am Substrat befestigt wird und/oder sogenannte volldifferentielle Elektroden (nicht dargestellt), bei denen zwischen benachbarten beweglichen Fingern jeweils ein Finger mit einem ersten Auswertepotential und ein weiterer Finger mit einem zweiten Auswertepotential liegen. Für den zuletzt genannten Fall sind insbesondere die Elektrodenanordnungen gemäß DE 10 2009 045 391 A1 als besonders vorteilhaft anzusehen, bei denen eine zusätzliche mikromechanische Schicht für freitragende Elektrodenaufhängungen verwendet wird.
5 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt S1 wird eine seismische Masse 10 mit einer definierten Asymmetrie bezüglich einer rotatorischen Achse A der Struktur 100 ausgebildet.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein Ausbilden von Federelementen 20, 20´, 21, 21´ derart durchgeführt, dass die Federelemente 20, 20´, 21, 21´ an der seismischen Masse 10 und an wenigstens einem Fixierelement 30 fixiert sind, wobei mittels der Federelemente 20, 20´, 21, 21´ ein Bewegen der seismischen Masse 10 im Wesentlichen nur bei einer Beschleunigung in eine definierte Sensierrichtung innerhalb einer zur rotatorischen z-Achse A orthogonal ausgebildeten Ebene generierbar ist.
6 zeigt prinzipiell eine Darstellung eines lateralen rotatorischen Beschleunigungssensors 200 mit einer mikromechanischen Struktur 100. Der Beschleunigungssensor 200 kann vorzugsweise im Automotive-Bereich zur Detektion einer definierten lateralen Beschleunigung eingesetzt werden.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein lateraler Beschleunigungssensor bereitgestellt, der bei einer lateralen Auslenkung in einer vorgesehenen Sensierrichtung eine leichte Drehbarkeit und eine quer zur Sensierrichtung geringe Querempfindlichkeit aufweist. Aufgrund der Dimensionierung der Federelemente in Kombination mit einer bezüglich einer Rotationsachse asymmetrisch ausgebildeten seismischen Masse kann der Beschleunigungssensor vorteilhaft sehr vibrationsunempfindlich ausgebildet werden. Auf diese Weise kann eine mechanische Tiefpassapplikation realisiert werden, die insbesondere im Automotive-Bereich auf die oftmals vorhandenden Vibrationen vorteilhaft sehr unempfindlich ist.
Im Ergebnis kann mit dem vorgeschlagenen Sensorprinzip eine laterale Beschleunigung in einer Richtung gut detektiert werden, ohne dass Bewegungen in anderen Richtungen in eine Sensiercharakteristik nennenswert eingehen. Dadurch kann im Ergebnis eine Vermischung von Signalen vermieden werden, wobei vorwiegend eine Beschleunigung parallel zu einer Chipoberfläche erfasst wird, nicht aber in z-Richtung und in einer anderen lateralen Richtung.
Der Fachmann wird auch vorstehend nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der mikromechanischen Struktur realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006059928 A1 [0011]
EP 0244581 B1 [0012]
EP 0773443 B1 [0012]
DE 102006032194 A1 [0014]
DE 102008001442 A1 [0015]
DE 102009026738 A1 [0062]
DE 102011011160 A1 [0062]
DE 102009045391 A1 [0066]

Claims

Mikromechanische Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor (200), aufweisend: – eine seismische Masse (10), die bezogen auf die rotatorische z-Achse (A) der Struktur (100) des Beschleunigungssensors (200) definiert asymmetrisch ausgebildet ist; – Federelemente (20, 20´, 21, 21´), die an der seismischen Masse (10) und an wenigstens einem Fixierelement (30) fixiert sind; – wobei mittels der Federelemente (20, 20´, 21, 21´) eine rotatorische Bewegung der seismischen Masse (10) im Wesentlichen nur bei einer Beschleunigung in eine definierte Sensierrichtung innerhalb einer zur rotatorischen z-Achse (A) im Wesentlichen orthogonal ausgebildeten Ebene generierbar ist.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fixierelement (30) in der rotatorischen z-Achse (A) oder in Relation zu lateralen Abmessungen der Struktur (100) nahe an der rotatorischen z-Achse angeordnet ist.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vier Federelemente (20, 20´, 21, 21´) gegeneinander ungefähr unter einem Winkel von 90 Grad angeordnet sind.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der seismischen Masse (10) durch eine erste Zusatzmasse (50) bewirkt wird.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (20, 20´, 21, 21´) in Relation zu ihrer Breite (b) hoch ausgebildet sind.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (20, 20´, 21, 21´) ein Aspektverhältnis von größer als fünf aufweisen.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fixierelement (30) und Fixierelemente (32, 34, 36, 38) von Elektroden (FE1, FE2, FE3, FE4) in Relation zu einer Flächenabmessung der Struktur (100) nahe aneinander angeordnet sind.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fixierelement (30) und Fixierelemente (32, 34, 36, 38) von Elektroden (FE1, FE2, FE3, FE4) weniger als ca. 20% zur größten Seitenabmessung der Struktur (100) voneinander beabstandet sind.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Zusatzmasse (60) zusätzlich zur seismischen Masse (10) vorgesehen ist.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zusatzmasse (60) durch ein anderes Material als die seismische Masse (10) und die Zusatzmasse (50) ausgebildet ist.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmasse (50) und/oder die zweite Zusatzmasse (60) zumindest teilweise oberhalb der seismischen Masse (10) angeordnet ist.
Beschleunigungssensor (200) aufweisend eine mikromechanische Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor (200), aufweisend die Schritte: – Ausbilden einer seismischen Masse (10) mit einer definierten Asymmetrie bezüglich einer rotatorischen z-Achse (A) der Struktur (100); – Ausbilden von Federelementen (20, 20´, 21, 21´) derart, dass die Federelemente (20, 20´, 21, 21´) an der seismischen Masse (10) und wenigstens einem Fixierelement (30) fixiert sind, wobei mittels der Federelemente (20, 20´, 21, 21´) ein Bewegen der seismischen Masse (10) im Wesentlichen nur bei einer Beschleunigung in eine definierte Sensierrichtung innerhalb einer zur rotatorischen z-Achse (A) orthogonal ausgebildetene Ebene generierbar ist.