DE102015207637A1 - Mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor - Google Patents

Mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor Download PDF

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Abstract

Mikromechanische Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor, aufweisend: – eine seismische Masse (20), die mittels eines zentralen Anbindungselements (13) an ein Substrat (10) angebunden ist; – eine definierte Anzahl von auf dem Substrat (10) angeordneten Elektroden (11a, 12a); wobei – bezogen auf eine Sensierachse beidseitig am Anbindungselement (13) jeweils ein Federelement (21) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor.
  • Stand der Technik
  • Moderne Sensoren zur Messung von Beschleunigung umfassen üblicherweise eine mikromechanische Struktur aus Silizium („Sensorkern“) und eine Auswerteelektronik.
  • Beschleunigungssensoren für Bewegungen in der Ebene (engl. in-plane) sind bereits bekannt. Diese umfassen eine bewegliche („seismische“) Masse und Elektroden. Bei einer Bewegung der Masse ändern sich die Abstände der Elektroden, wodurch eine Beschleunigung detektiert werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor, aufweisend:
    • – eine seismische Masse, die mittels eines zentralen Anbindungselements an ein Substrat angebunden ist;
    • – eine definierte Anzahl von auf dem Substrat angeordneten Elektroden; wobei
    • – bezogen auf eine Sensierachse beidseitig am Anbindungselement jeweils ein Federelement angeordnet ist.
  • Auf diese Weise sind die Elektroden näher zur Sensierachse angeordnet, wodurch die Anordnung gegenüber einer Verbiegung des Substrats orthogonal zur Sensierachse weniger empfindlich sein kann. Aufgrund der Anordnung der Federelemente direkt an der Anbindung zum Substrat kann in der seismischen Masse Platz für weitere Dämpfungsstrukturen oder Federn geschaffen werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor, aufweisend die Schritte:
    • – Ausbilden eines Substrats mit darauf ausgebildeten Elektroden;
    • – Ausbilden einer seismischen Masse;
    • – Anbinden der seismischen Masse an das Substrat mittels eines zentralen Anbindungselements; und
    • – Ausbilden von zwei Federelementen beidseitig des Anbindungselements bezogen auf eine Sensierachse der seismischen Masse.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Federelementen wenigstens ein Dämpfungselement an der seismischen Masse angeordnet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein verfügbarer Platz zwischen den beiden Federelementen für konstruktive Details der mikromechanischen Struktur genutzt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Federelementen auf dem Substrat wenigstens ein weiteres Elektrodenpaar angeordnet ist. Auch auf diese Weise kann vorteilhaft ein verfügbarer Platz zwischen den beiden Federelementen ausgenützt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass an erste Elektroden ein erstes elektrisches Potential, an zweite Elektroden ein zweites elektrisches Potential und an das Anbindungselement ein drittes elektrisches Potential anlegbar ist. Auf diese Weise wird eine Erfassungsstruktur für einen mikromechanischen Beschleunigungssensor geeignet elektrisch beschaltet.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu ausgeführt.
  • In den Figuren zeigt:
  • 1 eine Draufsicht auf eine herkömmliche mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor;
  • 2 eine Draufsicht auf die mikromechanische Struktur von 1 mit einer Andeutung von elektrischen Potentialen;
  • 3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor; und
  • 4 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf eine herkömmliche mikromechanische Struktur 100 für einen Beschleunigungssensor mit einer so genannten „Halbzentralaufhängung“. Die mikromechanische Struktur 100 umfasst eine seismische Masse 20, die mittels eines zentral angeordneten Anbindungselements 13 funktional an ein unter der seismischen Masse 20 angeordnetes Substrat 10 angebunden ist. Auf dem Substrat 10 sind erste Elektroden 11a angeordnet, die miteinander verschaltet und über Anbindungselemente 11 auf ein erstes elektrisches Potential P1 gelegt sind. Auf dem Substrat 10 sind weiterhin zweite Elektroden 12a angeordnet, die miteinander verschaltet und über Anbindungselemente 12 auf ein zweites elektrisches Potential P2 gelegt sind. Die seismische Masse 20 ist mittels zweier Federelemente 21 beweglich aufgehängt, wobei die Federelemente 21 über länglich ausgebildete, perforierte Balken- bzw. Stegelemente 22 mit jeweils einem Anbindungselement 13 verbunden sind. Mechanische Anschlagselemente 14 sind dazu vorgesehen, ein Auslenken der seismischen Masse 20 zu begrenzen.
  • Die seismische Masse 20 weist auf diese Weise zwei Anbindungselemente 13 nach unten zum Substrat 10 auf, wodurch die seismische Masse 20 von Substratverwölbungen weitgehend unabhängig ist. Auf diese Weise können Substratverwölbungen ein Sensorsignal kaum beeinflussen bzw. verzerren. Die genannten Substratverwölbungen haben nachteilig zur Folge, dass die auf dem Substrat 10 angeordneten Elektroden 11a, 12a mit dem Substrat 10 mitverdreht bzw. mitausgelenkt werden. Dadurch können Relativbewegungen der Elektroden 11a, 12a zueinander entstehen, wodurch ein Beschleunigungs-Fehlersignal erzeugt wird.
  • Nachteilig bei der konventionellen Struktur von 1 ist also vor allem, dass die Elektroden 11a, 12a beidseitig um das perforierte Stegelement 22 herum platziert sind und dadurch eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Verbiegungen des Substrats 10 insbesondere in z-Richtung aufweisen, wobei die Empfindlichkeit mit steigendem Abstand von der Sensierachse, die durch die beiden Anschlagselemente 14 und die beiden Anbindungselemente 13 verläuft, zunimmt.
  • 2 zeigt die Struktur 100 von 1 mit einer Andeutung der elektrischen Potentiale der Elektroden 11a, 12a und des Anbindungselements 13. Alle ersten Elektroden 11a und alle zweiten Elektroden 12a sind jeweils miteinander funktional elektrisch verschaltet und weisen auf diese Art und Weise jeweils das gleiche elektrische Potential P1 bzw. P2 auf. Das Anbindungselement 13 ist auf Massepotential PM gelegt. Erkennbar ist, dass relativ viel Platz für die Anbindung der Elektroden 11a und 12a und deren Anbindung an das Substrat 10 erforderlich ist. Dies ist vor allem durch das Vorhandensein der perforierten Stegelemente 22 begründet. Erkennbar ist ferner, dass die Elektroden 11a, 12a in Relation zur Gesamtabmessung der Struktur 100 weit vom Zentrum mit den Anbindungselementen 13 angeordnet sind und auf diese Weise empfindlich für mechanische Verbiegungen bzw. Verwölbungen des Substrats 10 sind, weil sich eine Verwölbung des Substrats 10 umso mehr auswirkt, je weiter die Elektroden 11a, 12a von der Sensierachse entfernt sind.
  • Vorgeschlagen wird eine spezifische Ausgestaltung bzw. Anordnung der beiden Federelemente 21, so dass auf diese Weise eine „Zentralaufhängung“ für die seismische Masse 20 realisiert wird.
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 100 für einen mikromechanischen Beschleunigungssensor. Man erkennt, dass bezogen auf die Sensierachse der seismischen Masse 20 jeweils ein Federelement 21 beidseitig am Anbindungselement 13 angeordnet ist. Auf diese Weise sind die konventionellen perforierten Stegelemente 22 überflüssig, wodurch für die Struktur 100 zusätzlich Raum verfügbar ist. Die Elektroden 11a, 12a sind relativ zentral an das Substrat 10 angebunden, so dass für Struktur 100 weniger Abhängigkeit von Substratverbiegungen bzw. -verwölbungen, insbesondere in z-Richtung zu erwarten ist. Mehrere Verbindungsstege sind über einen Querbereich der seismischen Masse 20 ausgebildet, wodurch eine mechanische Robustheit der seismischen Masse 20 erhöht sein kann.
  • Im freigewordenen Raum zwischen den beiden Federelementen 21 kann wenigstens ein weiteres Elektrodenpaar 11a, 12a vorgesehen sein (nicht dargestellt). Optional können hier auch weitere Strukturen für eine optimierte mechanische Dämpfung der Struktur 100 (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
  • 4 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur 100 für einen Beschleunigungssensor.
  • In einem Schritt 200 wird ein Substrat 10 mit darauf ausgebildeten Elektroden 11a, 12a ausgebildet.
  • In einem Schritt 210 wird eine seismische Masse 20 ausgebildet.
  • In einem Schritt 220 wird ein Anbinden der seismischen Masse 20 an das Substrat 10 mittels eines zentralen Anbindungselements 13 durchgeführt.
  • Schließlich wird in einem Schritt 230 ein Ausbilden von zwei Federelementen 21 beiderseits des Anbindungselements 13 bezogen auf eine Sensierachse der seismischen Masse 20 durchgeführt.
  • Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor vorgeschlagen, die vorteilhaft eine reduzierte Empfindlichkeit auf mechanische Verwölbungen (z.B. aufgrund eines Einbauprozesses der Struktur in einen Sensor) des Substrats bereitstellt. Aufgrund eines Anordnens der beiden Federn direkt am Anbindungselement der seismischen Masse an das Substrat kann diese Wirkung auf einfache Weise erreicht werden. Im Ergebnis kann dadurch für einen mikromechanischen Beschleunigungssensor eine verbesserte Sensiercharakteristik realisiert werden.
  • Vorteilhaft ist es möglich, das beschriebene Prinzip auf andere Sensortechnologien, beispielsweise auf piezoresistive mikromechanische Beschleunigungssensoren anzuwenden.
  • Obwohl die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird also erkennen, dass vielfältige Abwandlungen möglich sind, die vorgehend nicht oder nur teilweise beschrieben wurden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims (10)

  1. Mikromechanische Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor, aufweisend: – eine seismische Masse (20), die mittels eines zentralen Anbindungselements (13) an ein Substrat (10) angebunden ist; – eine definierte Anzahl von auf dem Substrat (10) angeordneten Elektroden (11a, 12a); wobei – bezogen auf eine Sensierachse beidseitig am Anbindungselement (13) jeweils ein Federelement (21) angeordnet ist.
  2. Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Federelementen (21) wenigstens ein Dämpfungselement an der seismischen Masse (20) angeordnet ist.
  3. Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Federelementen (21) wenigstens ein weiteres Elektrodenpaar (11a, 12a) auf dem Substrat (10) angeordnet ist.
  4. Mikromechanische Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an erste Elektroden (11a) ein erstes elektrisches Potential (P1), an zweite Elektroden (12a) ein zweites elektrisches Potential (P2) und an das Anbindungselement (13) ein drittes elektrisches Potential (P3) anlegbar ist.
  5. Beschleunigungssensor aufweisend eine mikromechanischen Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor, aufweisend die Schritte: – Ausbilden eines Substrats (10) mit darauf ausgebildeten Elektroden (11a, 12a); – Ausbilden einer seismischen Masse (20); – Anbinden der seismischen Masse (20) an das Substrat (10) mittels eines zentralen Anbindungselements (13); und – Ausbilden von zwei Federelementen (21) beidseitig des Anbindungselements (13) bezogen auf eine Sensierachse der seismischen Masse (20).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die ersten Elektroden (11a) an ein erstes elektrisches Potential (P1) gelegt werden, wobei die zweiten Elektroden (12a) an ein zweites elektrisches Potential (P2) gelegt werden und wobei das Anbindungselement (13) an ein drittes elektrisches Potential (P3) gelegt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei zwischen den beiden Federelementen (21) wenigstens ein weiteres Dämpfungselement an der seismischen Masse (20) angeordnet wird.
  9. Verfahren nach eine der Ansprüche 6 bis 8, wobei zwischen den beiden Federelementen (21 wenigstens zwei weitere Elektroden (11a, 12a) auf dem Substrat (10) angeordnet werden.
  10. Verwendung einer mikromechanischen Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für einen mikromechanischen Beschleunigungssensor.
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