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Stand der Technik
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Beim Betriebsprinzip von Drehratensensoren in der Drehratendetektion wird zwischen open-loop und closed-loop Betrieb unterschieden. Beim closed-loop Betrieb wird die Drehratendetektion lagegeregelt. Um eine durch Prozessnichtidealitäten entstandene Quadratur direkt in der Mikromechanik durch entgegen wirkende Kräfte zu kompensieren, weisen Drehratensensoren häufig Quadraturkompensationsstrukturen auf. Beispielsweise werden bei closed-loop ΩX Drehratensensoren, die out of plane detektieren, d.h. beispielsweise eine Bewegung einer Struktur aus epitaktisch abgeschiedenem Polysilizium (EPI Struktur) aus einer Ebene heraus detektieren, zur Quadraturkompensation zwei Quadraturelektroden, beispielsweise eine erste Quadraturelektrode QP und eine zweite Quadraturelektrode QN, genutzt.
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Eine solche Quadraturkompensationselektrode basiert auf einer Kapazität, welche sich linear mit der Antriebsamplitude ändert und einer an diese Kapazität angelegten Kompensationsspannung. Beispielsweise wird die Kapazität durch das Einbringen eines Fensters, bzw. Ausschnitts, in die EPI Struktur oberhalb einer in einer dünnen polykristallinen Schicht, auch VP Schicht genannt, ausgeführten Elektroden realisiert. Ändert sich beispielsweise durch eine Antriebsbewegung XA in der Ebene ein Überlapp X des Plattenkondensators so resultiert dies in der gewünschten linearen Kapazitätsänderung der Quadraturelektroden. Durch das Anlegen einer geeigneten Spannung an die Elektroden QP und QN entsteht dann eine der mechanischen Quadraturkraft entgegengesetzte Quadraturkompensationskraft FQ, die einer möglichen Quadraturbewegung entgegenwirkt bzw. diese verhindert. Ferner müssen bei Inertialsensoren Strukturbewegungen bzw. Auslenkungen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats bestimmt werden.
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Die Erfindung geht aus von einem Inertialsensor, insbesondere Drehratensensor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Inertialsensor, insbesondere Drehratensensor, hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Inertialsensor eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Elektrodenfläche von Inertialdetektionselektroden ermöglicht. Ferner wird insbesondere ein Inertialsensor mit einer erhöhten mechanischen Stabilität der bewegten Strukturen ermöglicht. Außerdem wird ein Inertialsensor mit einer gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Gesamtmasse der seismischen Masse des Sensors und robusterer Mechanik auf zum Stand der Technik vergleichbarer Substratfläche bereitgestellt. Des Weiteren wird ein gegenüber dem Stand der Technik stark gedämpfter Sensor in der out of plane Richtung und einem deutlichen reduzierten Modenspektrum bereitgestellt. Dies wird dadurch erreicht, dass im Gegensatz zum Stand der Technik der erste Oberflächenbereich weiter von der Haupterstreckungsebene als der zweiten Oberflächenbereich von der Haupterstreckungsebene beabstandet ist. Hierdurch wird eine alternative Umsetzungsform einer sich linear mit einer Bewegung der beweglichen Struktur in der Ebene ändernden Kapazität zwischen beispielsweise einer EPI Struktur und einer VP Struktur auf einfache, kostengünstige und mechanisch robuste Weise bereitgestellt. Hierzu ist kein Fenster in der beweglichen Struktur erforderlich. Hierdurch werden auf vorteilhafte Weise die Nachteile eines Fensters in der beweglichen Struktur vermieden. Beispielsweise werden vorteilhaft Eigenfrequenzen in relevanten Frequenzbereichen unterdrückt, da sich eine bewegliche Struktur ohne Fenster im Gegensatz zu einer beweglichen Struktur mit Fenster weniger stark verwindet. Ferner wird vorteilhaft eine beispielsweise komplett geschlossene bewegliche Struktur bereitgestellt, was u.a. einen stark gedämpften Sensor in der out of plane Richtung mit hohen Massen und einem deutlich reduzierten Madenspektrum realisierbar macht. Des Weiteren wird eine lineare Kapazitätsänderung einer Quadraturelektrode durch eine im Herstellungsprozess eingebrachte gezielte Topographie an der Unterseite der beweglichen Struktur, beispielsweise der EPI Struktur, erreicht. Hierdurch wird ein Plattenkondensator, dessen Kapazität sich bei der Antriebsbewegung aufgrund unterschiedlicher Gapabstände linear mit der Antriebsauslenkung XA ändert, an der Quadraturelektrode ermöglicht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Struktur einen sich im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckenden dritten Oberflächenbereich aufweist, wobei der dritte Oberflächenbereich der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zugewandt ist und sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie der erste Oberflächenbereich erstreckt. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ermöglicht, dass eine Kapazität welche sich in Antriebsbewegung linear mit der Antriebsauslenkung ändert sowohl zwischen der beweglichen Struktur und der ersten Elektrode als auch zwischen der beweglichen Struktur und der zweiten Elektrode bereitgestellt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Ruhelage des Inertialsensors eine Projektion des ersten Oberflächenbereichs auf die Haupterstreckungsebene zumindest teilweise eine Projektion der ersten Elektrode auf die Haupterstreckungsebene umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass ein Abstand senkrecht zu der Haupterstreckungsebene zwischen dem ersten Oberflächenbereich und der ersten Elektrode bereitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der erste Oberflächenbereich weiter von der ersten Elektrode als der zweiten Oberflächenbereich von der ersten Elektrode beabstandet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Ruhelage des Inertialsensors eine Projektion des zweiten Oberflächenbereichs auf die Haupterstreckungsebene zumindest teilweise eine Projektion der ersten Elektrode und eine Projektion der zweiten Elektrode jeweils auf die Haupterstreckungsebene umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass sowohl ein Abstand senkrecht zu der Haupterstreckungsebene zwischen dem zweiten Oberflächenbereich und der ersten Elektrode als auch ein Abstand senkrecht zu der Haupterstreckungsebene zwischen dem zweiten Oberflächenbereich und der zweiten Elektrode bereitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der zweite Oberflächenbereich weniger weit als der erste Oberflächenbereich sowohl von der ersten Elektrode als auch von der zweiten Elektrode beabstandet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Ruhelage des Inertialsensors eine Projektion des dritten Oberflächenbereichs auf die Haupterstreckungsebene zumindest teilweise eine Projektion der zweiten Elektrode auf die Haupterstreckungsebene umfasst. In vorteilhafter Weise wird somit ein Abstand senkrecht zu der Haupterstreckungsebene zwischen dem dritten Oberflächenbereich und der zweiten Elektrode bereitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der dritte Oberflächenbereich weiter von der zweiten Elektrode als der zweiten Oberflächenbereich von der zweiten Elektrode beabstandet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Ruhelage des Inertialsensors eine Schnittmenge einer Projektion des zweiten Oberflächenbereichs auf die Haupterstreckungsebene sowohl mit einer Projektion der ersten Elektrode auf die Haupterstreckungsebene als auch mit einer Projektion der zweiten Elektrode auf die Haupterstreckungsebene leer ist. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein Inertialsensor bereitgestellt, bei dem der zweite Oberflächenbereich entlang einer Richtung parallel zu der Haupterstreckungsebene im Wesentlichen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Hierdurch wird insbesondere ein Inertialsensor mit verringerter Linearität bereitgestellt. Hierdurch wird insbesondere eine Verwendung der Elektroden zur Detektion von in plane Bewegungen, beispielsweise für die Antriebsdetektion bei einem Drehratensensor, bereitgestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Struktur mindestens einen sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie der erste Oberflächenbereich erstreckenden weiteren ersten Oberflächenbereich und mindestens einen sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie der zweite Oberflächenbereich erstreckenden zweiten Oberflächenbereich aufweist, wobei der weitere erste Oberflächenbereich und der weitere zweite Oberflächenbereich mindestens einer sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die erste Elektrode erstreckenden substratfesten weiteren ersten Elektrode und mindestens einer sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die zweite Elektrode erstreckenden substratfesten weiteren zweiten Elektrode zugewandt sind. Auf vorteilhafte Weise wird somit ein Messen einer kleinen in plane Bewegung, beispielsweise eines Inertialsensors in Form eines Beschleunigungssensors oder die Detektionsbewegung eines ΩZ Drehratensensors, ermöglicht. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass im Gegensatz zum Stand der Technik ein reduzierter Aufwand besteht, da beispielsweise eine Aufhängung von Plattenkondensatoren hinfällig ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Ruhelage des Inertialsensors eine Projektion des weiteren zweiten Oberflächenbereichs auf die Haupterstreckungsebene zumindest teilweise eine Projektion der weiteren ersten Elektrode und eine Projektion der weiteren zweiten Elektrode jeweils auf die Haupterstreckungsebene umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass sowohl ein Abstand senkrecht zu der Haupterstreckungsebene zwischen dem weiteren zweiten Oberflächenbereich und der weiteren ersten Elektrode als auch ein Abstand senkrecht zu der Haupterstreckungsebene zwischen dem weiteren zweiten Oberflächenbereich und der weiteren zweiten Elektrode bereitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der weitere zweite Oberflächenbereich weniger weit als der weitere erste Oberflächenbereich sowohl von der weiteren ersten Elektrode als auch von der weiteren zweiten Elektrode beabstandet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Ruhelage des Inertialsensors eine Schnittmenge einer Projektion des weiteren zweiten Oberflächenbereichs auf die Haupterstreckungsebene sowohl mit einer Projektion der weiteren ersten Elektrode auf die Haupterstreckungsebene als auch mit einer Projektion der weiteren zweiten Elektrode auf die Haupterstreckungsebene leer ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass ein Inertialsensor bereitgestellt wird, bei dem der weitere zweite Oberflächenbereich entlang einer Richtung parallel zu der Haupterstreckungsebene im Wesentlichen zwischen der weiteren ersten Elektrode und der weiteren zweiten Elektrode angeordnet ist. Hierdurch wird insbesondere ein Inertialsensor mit verringerter Linearität bereitgestellt. Hierdurch wird insbesondere eine Verwendung der Elektroden zur Detektion von in plane Bewegungen, beispielsweise für die Antriebsdetektion, bereitgestellt. Auf vorteilhafte Weise wird somit ein Messen einer kleinen in plane Bewegung, beispielsweise bei einem Inertialsensor in Form eines Beschleunigungssensors oder die Detektionsbewegung eines ΩZ Drehratensensors, ermöglicht. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass im Gegensatz zum Stand der Technik ein reduzierter Aufwand besteht, da beispielsweise eine Aufhängung von Plattenkondensatoren hinfällig ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Inertialsensor, insbesondere einen Drehratensensor, gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Inertialsensor, insbesondere einen Drehratensensor, gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Inertialsensor, insbesondere einen Drehratensensor, gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Inertialsensors 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Inertialsensor 1 ein Substrat 3 mit einer Haupterstreckungsebene 100 und eine gegenüber dem Substrat 3 bewegliche Struktur 5 und eine sich parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 erstreckende substratfeste erste Elektrode 7 und eine sich parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 erstreckende substratfeste zweite Elektrode 9 umfasst. Hierbei weist die Struktur 5 einen ersten, zweiten und dritten Oberflächenbereich 11, 13, 15 auf, wobei sich der erste, zweite und dritte Oberflächenbereich 11, 13, 15 im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 erstreckt. Wie in 1 beispielhaft dargestellt sind der erste, zweite und dritte Oberflächenbereich 11, 13, 15 der ersten und zweiten Elektrode 7, 9 zugewandt. Ferner ist der erste Oberflächenbereich 11 weiter von der Haupterstreckungsebene 100 als der zweiten Oberflächenbereich 13 von der Haupterstreckungsebene 100 beabstandet.
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Bei dem in 1 dargestellten und sich in einer Ruhelage befindlichen Ausführungsbeispiel umfasst sowohl eine Projektion des ersten Oberflächenbereichs 11 auf die Haupterstreckungsebene 100 zumindest teilweise eine Projektion der ersten Elektrode 7 auf die Haupterstreckungsebene 100 als auch eine Projektion des dritten Oberflächenbereichs 15 auf die Haupterstreckungsebene 100 zumindest teilweise eine Projektion der zweiten Elektrode 9 auf die Haupterstreckungsebene 100.
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Hierdurch wird ein Fenster in der Struktur 5 durch das Nachteile für den Gesamtsensor entstehen vermieden. Hierbei ist die Struktur 5 beispielsweise eine Struktur aus epitaktisch abgeschiedenem Polysilizium (EPI Struktur). Ein solches Fenster reduziert die Gesamtmasse des Sensors und schwächt die Mechanik an dieser Stelle. So können beispielsweise bei einem Inertialsensor Eigenfrequenzen in relevanten Frequenzbereichen entstehen, weil die Detektionsstruktur im Bereich des Fensters nur über kleine Stege verbunden ist und sich verwinden kann.
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In Verbindung mit einem geeigneten Ätzprozess ohne Ätzzugangslöcher auf der Oberseite wird somit eine Detektionsmasse, die komplett geschlossen sein kann ermöglicht, was u.a. einen stark gedämpften Sensor in der out of plane Richtung mit hohen Massen und einem deutlich reduzierten Modenspektrum realisierbar macht.
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Die notwendige lineare Kapazitätsänderung der Quadraturelektrode wird in der vorliegenden Erfindung beispielsweise durch eine im Prozess eingebrachte gezielte Topograohie an der Unterseite der EPI Struktur erreicht. Es ergibt sich ein Plattenkondensator an der Quadraturelektrode, dessen Kapazität sich bei einer Antriebsbewegung aufgrund unterschiedlicher Gapabstände d0 und d1 zwischen Oberflächenbereichen 11, 13, 15 und Elektroden 7, 9 linear mit einer Antriebsauslenkung XA ändert.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Inertialsensors 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite beispielhafte Ausführungsform im Wesentlichen der ersten beispielhaften Ausführungsform entspricht. Jedoch ist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in der in 2 dargestellten Ruhelage des Ausführungsbeispiels eine Schnittmenge einer Projektion des zweiten Oberflächenbereichs 13 auf die Haupterstreckungsebene 100 sowohl mit einer Projektion der ersten Elektrode 7 auf die Haupterstreckungsebene 100 als auch mit einer Projektion der zweiten Elektrode 9 auf die Haupterstreckungsebene 100 leer. Insbesondere ist somit eine Umsetzung mit verringerter Linearität möglich. Eine solche Art von Elektrode kann in einem Inertialsensor nicht nur zur Quadraturkompensation sondern auch zur Detektion von in plane Bewegungen (beispielsweise Antriebsdetektion) verwendet werden.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines sich in einer Ruhelage befindlichen Inertialsensors 1 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritte beispielhafte Ausführungsform im Wesentlichen der ersten beispielhaften Ausführungsform entspricht. Jedoch weist bei der dritten Ausführungsform die Struktur 5 vier sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie der erste Oberflächenbereich 11 erstreckende weitere erste Oberflächenbereiche 11‘ und drei sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie der zweite Oberflächenbereich 13 erstreckende zweite Oberflächenbereiche 13‘ auf. Des Weiteren sind die vier weiteren ersten Oberflächenbereiche 11‘ und die drei weiteren zweiten Oberflächenbereiche 13‘ drei sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die erste Elektrode 7 erstreckenden substratfesten weiteren ersten Elektroden 7‘ und drei sich im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die zweite Elektrode 9 erstreckenden substratfesten weiteren zweiten Elektroden 9‘ zugewandt.
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Schließlich umfasst in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Projektion der drei weiteren zweiten Oberflächenbereiche 13‘ auf die Haupterstreckungsebene 100 zumindest teilweise eine Projektion der drei weiteren ersten Elektroden 7‘ und eine Projektion der drei weiteren zweiten Elektroden 9‘ jeweils auf die Haupterstreckungsebene 100. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass eine Schnittmenge einer Projektion der drei weiteren zweiten Oberflächenbereiche 13‘ auf die Haupterstreckungsebene 100 sowohl mit einer Projektion der drei weiteren ersten Elektroden 7‘ auf die Haupterstreckungsebene 100 als auch mit einer Projektion der drei weiteren zweiten Elektrode 9‘ auf die Haupterstreckungsebene 100 leer ist.
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Durch eine derartige Vervielfachung dieser Elektroden wird das Messen einer kleinen in plane Bewegung (beispielsweise eines Beschleunigungssensors oder die Detektionsbewegung eines ΩZ Inertialsensors) ermöglicht. Hierbei liegen die Vorteile in dem reduzierten Aufwand beispielsweise für die Aufhängung der aktuell eingesetzten Plattenkondensatoren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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