DE102017205979A1 - Micromechanical capacitive sensor - Google Patents
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Abstract
Mikromechanischer kapazitiver Sensor (100) aufweisend:
- eine MEMS-Einrichtung (10) mit einer beweglichen Masseelektrode (CM) und einer definierten Anzahl von Ausleseelektroden (C0N, C0P), die mit der beweglichen Masseelektrode (CM) zusammenwirkbar ausgebildet sind, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden (C0N, C0P) aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode (CM) zu erfassen; und
- eine Ansteuereinrichtung (20), die ausgebildet ist, die Masseelektrode (CM) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen (f1, f2) anzusteuern und elektrische Ladungen zu erfassen; wobei die erfassten elektrischen Ladungen mit erfassten elektrischen Ladungen eines Kalibrierprozesses vergleichbar sind.
Micromechanical capacitive sensor (100) comprising:
- A MEMS device (10) having a movable ground electrode (CM) and a defined number of readout electrodes (C0N, C0P), which are cooperatively formed with the movable ground electrode (CM) to electrical charge shifts on the readout electrodes (C0N, C0P) due to movement of the ground electrode (CM); and
- A drive device (20) which is designed to control the ground electrode (CM) with at least two different frequencies (f1, f2) and to detect electrical charges; wherein the detected electrical charges are comparable to detected electrical charges of a calibration process.
Description
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen kapazitiven Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Sensors.The invention relates to a micromechanical capacitive sensor. The invention further relates to a method for producing a micromechanical capacitive sensor.
Stand der TechnikState of the art
Mikromechanische kapazitive Sensoren (Beschleunigungs-, Drucksensoren, usw.) werden im Normalbetrieb üblicherweise auf einer einzelnen Frequenz betrieben.Micromechanical capacitive sensors (accelerometers, pressure sensors, etc.) are normally operated on a single frequency during normal operation.
Ein mikromechanischer Drucksensor, bei dem eine Druckdifferenz in Abhängigkeit von einer Verformung einer Sensormembran gemessen wird, ist z.B. aus
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, mikromechanischen kapazitiven Sensor bereit zu stellen.It is an object of the present invention to provide an improved micromechanical capacitive sensor.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen kapazitiven Sensor, aufweisend:
- - eine MEMS-Einrichtung mit einer beweglichen Masseelektrode und einer definierten Anzahl von Ausleseelektroden, die mit der beweglichen Masseelektrode zusammenwirkbar ausgebildet sind, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode zu erfassen; und
- - eine Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, die Masseelektrode mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen anzusteuern und elektrische Ladungen zu erfassen; wobei die erfassten elektrischen Ladungen mit erfassten elektrischen Ladungen eines Kalibrierprozesses vergleichbar sind.
- a MEMS device having a movable ground electrode and a defined number of sense electrodes cooperatively formed with the movable ground electrode for detecting electrical charge shifts on the sense electrodes due to movement of the ground electrode; and
- a drive device which is designed to drive the ground electrode with at least two different frequencies and to detect electrical charges; wherein the detected electrical charges are comparable to detected electrical charges of a calibration process.
Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Sensors, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen einer MEMS-Einrichtung mit einer beweglichen Masseelektrode und einer definierten Anzahl von Ausleseelektroden, die mit der beweglichen Masseelektrode zusammenwirkbar ausgebildet werden, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode zu erfassen; und
- - Bereitstellen einer Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, die Masseelektrode mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen anzusteuern und elektrische Ladungen zu erfassen; wobei die erfassten elektrischen Ladungen mit erfassten elektrischen Ladungen eines Kalibrierprozesses vergleichbar sind.
- - providing a MEMS device having a movable ground electrode and a defined number of sense electrodes, which are cooperatively formed with the movable ground electrode to detect electrical charge shifts on the sense electrodes due to movement of the ground electrode; and
- - Providing a drive device which is designed to drive the ground electrode with at least two different frequencies and to detect electrical charges; wherein the detected electrical charges are comparable to detected electrical charges of a calibration process.
Auf diese Weise wird mittels eines Betreibens des kapazitiven Sensors mit zwei unterschiedlichen Frequenzen die Tatsache ausgenutzt, dass ein elektrischer Stromfluss aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen des Ansteuersignals permanent erfolgt, wohingegen der Stromfluss aufgrund von kapazitiver Wechselwirkung der Elektroden einmalig erfolgt. Auf diese Weise kann ein Delta zwischen Kalibrierdaten und Nutzdaten im Feld ermittelt und dadurch ein Effekt eines resistiven Nebenschlusses auf einfache Weise kompensiert werden.In this way, by operating the capacitive sensor with two different frequencies, the fact is exploited that an electric current flow due to the different frequencies of the drive signal is permanent, whereas the current flow occurs due to capacitive interaction of the electrodes once. In this way, a delta between calibration data and useful data in the field can be determined and thereby an effect of a resistive shunt can be easily compensated.
Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen kapazitiven Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the micromechanical capacitive sensor are the subject of dependent claims.
Eine bevorzugte Weiterbildung des mikromechanischen kapazitiven Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Ansteuereinrichtung ein Ansteuersignal mit den wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen einem Schalter zum Schalten einer elektrischen Auslesespannung zuführbar ist.A preferred development of the micromechanical capacitive sensor is characterized in that a drive signal with the at least two different frequencies can be supplied to a switch for switching an electrical read-out voltage by means of the drive device.
Auf diese Weise kann die Zuführung des Ansteuersignals mit den unterschiedlichen Frequenzen auf einfache Weise elektronisch realisiert werden. Die Zuführung der unterschiedlichen Frequenzen kann beispielsweise mittels eines physikalischen Schalters realisiert werden. Eine Selektion der gerade verwendeten Frequenz kann z.B. mittels eines elektronischen Steuerungsautomaten durchgeführt werden.In this way, the supply of the drive signal with the different frequencies can be realized electronically in a simple manner. The supply of the different frequencies can be realized for example by means of a physical switch. A selection of the frequency being used may be e.g. be performed by means of an electronic control machine.
Eine bevorzugte Weiterbildung des mikromechanischen kapazitiven Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitwert einer Moldmasse derart ist, dass zwischen Verbindungsleitungen der Ausleseelektroden und einer Verbindungsleitung der Masseelektrode zur Ansteuereinrichtung eine definiert geringe Leitfähigkeit und/oder eine möglichst optimale Stressentkopplung realisiert ist. Auf diese Weise ist ein Einfluss der Moldmasse auf ein Messverhalten des Sensors vorteilhaft möglichst gering.A preferred further development of the micromechanical capacitive sensor is characterized in that a conductance of a molding compound is such that between connecting lines of the readout electrodes and a connecting line of the ground electrode to the drive means a defined low conductivity and / or optimal stress decoupling is realized. In this way, an influence of the molding compound on a measurement behavior of the sensor is advantageously minimized.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen kapazitiven Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens zwei Frequenzen definiert innerhalb eines definierten Frequenzbands verteilt sind. Auf diese Weise wird das Prinzip der sogenannten spread spectrum clocking realisiert, wodurch unterstützt ist, dass Fehler im System nur lokal auf einige Frequenzen begrenzt ist, wodurch das System Störsignale auf der exakten Arbeitsfrequenz unterdrücken kann. Another preferred embodiment of the micromechanical capacitive sensor is characterized in that the at least two frequencies are distributed in a defined manner within a defined frequency band. In this way, the principle of so-called spread spectrum clocking is realized, which supports that error in the system is limited only locally to some frequencies, whereby the system can suppress noise at the exact operating frequency.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen kapazitiven Sensors sieht vor, dass ein Offset-Messwert einer Messung mit den beiden Frequenzen im Sensor hinterlegt ist. Auf diese Weise kann ein Hub eines Messwerts, der bei zwei unterschiedlichen Frequenzen erfasst wurde, gespeichert und im operativen Normalbetrieb des Sensors verwendet werden.A further preferred embodiment of the micromechanical capacitive sensor provides that an offset measured value of a measurement with the two frequencies is stored in the sensor. In this way, a stroke of a measurement acquired at two different frequencies can be stored and used in the operative normal operation of the sensor.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. Identical or functionally identical elements have the same reference numerals therein. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily to scale. For better clarity, it can be provided that not all the figures in all figures are marked.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen kapazitiven Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Sensors ergeben und umgekehrt.Disclosed device features result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the micromechanical capacitive sensor result analogously from corresponding embodiments, features and technical advantages relating to the method for producing a micromechanical capacitive sensor and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 eine prinzipielle Darstellung eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors; -
2 ein zeitliches Diagramm zum Erläutern eines Auslesens eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors; -
3 eine prinzipielle Darstellung eines resistiven Nebenschlusses eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors; -
4 ein zeitliches Diagramm zum Erläutern eines Auslesens eines vorgeschlagenen mikromechanischen kapazitiven Sensors; -
5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines mikromechanischen kapazitiven Sensors; und -
6 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen kapazitiven Sensors.
-
1 a schematic representation of a conventional micromechanical capacitive sensor; -
2 a timing diagram for explaining a readout of a conventional micromechanical capacitive sensor; -
3 a schematic representation of a resistive shunt of a conventional micromechanical capacitive sensor; -
4 a timing diagram for explaining a readout of a proposed micromechanical capacitive sensor; -
5 a block diagram of an embodiment of a micromechanical capacitive sensor; and -
6 a basic sequence of an embodiment of a method for producing a proposed micromechanical capacitive sensor.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Im Ergebnis wird durch das Bewegen der Masseelektrode CM zwischen den Ausleseelektroden C0N, C0P die Kapazität zwischen den Ausleseelektroden C0N, C0P und der Masseelektrode CM beeinflusst und es können elektrische Ladungen über Verbindungsleitungen
Idealerweise bilden die Masseelektrode CM und die Ausleseelektroden C0N, C0P einen idealen Plattenkondensator, der im Falle eines Beschleunigungssensors von externen Beschleunigungseinflüssen verstimmt wird. Für eine gewöhnliche Beschleunigungsmessung befinden sich die Ausleseelektroden C0N, C0P auf einem festen elektrischen Potential VBIAS, während das elektrische Potential auf der Masseelektrode CM mit einer mit einer Frequenz f1 alternierenden elektrischen Spannung VCM getaktet wird, wobei der resultierende elektrische Ladungsfluss gemessen und zur Ermittlung eines Beschleunigungswerts ausgewertet wird. Man erkennt zu diesem Zweck innerhalb der Ansteuereinrichtung
Die beschleunigungsabhängige Ladung pro Messung errechnet sich auf diese Weise nach folgender Beziehung:
- QACC ....
- elektrische Ladung pro Messung
- ΔVCM ...
- Hub der elektrischen Spannung an der Masseelektrode CM
- ΔCACC ...
- Verstimmung des Sensor-Kondensators
- VCM ...
- elektrische Spannung an der Masseelektrode CM
- ΔCACC ...
- Beschleunigungssignal in Form eines Differenzkapazitätssignals
- Q ACC ....
- electrical charge per measurement
- ΔVCM ...
- Stroke of the electrical voltage at the earth electrode CM
- ΔCACC ...
- Detune the sensor capacitor
- VCM ...
- electrical voltage at ground electrode CM
- ΔC ACC ...
- Acceleration signal in the form of a differential capacitance signal
Typische MEMS-Sensoren haben Empfindlichkeiten im Bereich weniger fF/g, beispielsweise 5 fF/g. Bei dieser Empfindlichkeit wird bei einer Beschleunigung von 1g und einer elektrischen Spannung VREAD von 1V eine Ladung QACC nach folgender Gleichung transportiert:
- ΔC/g ....
- Empfindlichkeit des Sensors auf externe Beschleunigung in g-normiert, wobei gilt: ΔC/g = Δx/g* ΔC/Δx mit:
- Δx/g ...
- Auslenkungsempfindlichkeit
- ΔC/Δx ...
- Kapazitätsempfindlichkeit
- ΔC / g ....
- Sensitivity of the sensor to external acceleration in g-normalized, where: ΔC / g = Δx / g * ΔC / Δx with:
- Δx / g ...
- deflection sensitivity
- ΔC / Δx ...
- capacity sensitivity
Die folgende
Über dem Widerstand bzw. Leitwert GL1L, GL1R des Nebenschlusses liegt eine definierte elektrische Spannungsdifferenz:
Infolge dieser elektrischen Spannungsdifferenz ΔVGL fließt über den Leitwert GL1R ein parasitärer elektrischer Strom IGL gemäß folgender Beziehung:
Dieser elektrische Strom IGL verursacht einen parasitären Ladungsfluss auf die Ausleseelektroden C0N, C0P, welcher bei einem konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensor
Die absolut eingebrachte Differenzladung durch den eingebrachten Nebenschluss errechnet sich zu:
Dieser Rechnung liegt die Annahme zugrunde, dass der Nebenschluss hinreichend hochohmig ist, so dass sich die Ausleseelektroden C0N, C0P während der Messzeit auf im Wesentlichen konstantem elektrischem Potential befinden.This calculation is based on the assumption that the shunt is sufficiently high-impedance, so that the readout electrodes C0N, C0P are at a substantially constant electrical potential during the measurement time.
Ein Übertragungsverhältnis zwischen Widerstand und einem fehlerhaften, ausgelesenen Beschleunigungssignal lässt sich folgendermaßen abschätzen:
- OffsetGL ...
- Offset in g (z.B. 10mg)
- ΔGL1 ...
- Differenz der beiden Nebenschlussleitwerte, wobei Gleichtaktsignale per se unterdrückt werden und nur Differenzsignale bewertet werden
- ΔVGL ...
- über dem Sensor anliegende elektrische Spannung
- Offset GL ...
- Offset in g (eg 10mg)
- ΔG L1 ...
- Difference of the two shunt conductance, wherein common mode signals are suppressed per se and only difference signals are evaluated
- ΔV GL ...
- electrical voltage applied across the sensor
Unter der Annahme eines zulässigen widerstandsbedingten Offsetfehlers von 10mg lässt sich abschätzen, dass der elektrische Widerstand > 50 GΩ sein muss, was einen extrem hohen Wert darstellt.Assuming an allowable resistance-related offset error of 10mg, it can be estimated that the electrical resistance must be> 50 GΩ, which is an extremely high value.
Dabei wird von folgenden verwendeten Parametern ausgegangen:
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Bereitstellung eines verbesserten mikromechanischen kapazitiven Sensors, bei dem eine Wirkung eines parasitären resistiven Nebenschlusses im Wesentlichen vollständig kompensiert bzw. eliminiert wird. A core idea of the present invention is, in particular, a provision of an improved micromechanical capacitive sensor, in which an effect of a parasitic resistive shunt is substantially completely compensated or eliminated.
Die vorgehend beschriebenen resistiven Nebenschlüsse können durch einen spezifischen mikromechanischen kapazitiven Sensor unterdrückt werden. Dabei werden folgende Zusammenhänge ausgenutzt:The resistive shunts described above can be suppressed by a specific micromechanical capacitive sensor. The following relationships are exploited:
Die in Formel (1) dargestellte elektrische Ladung QACC, welche als Nutzsignal dient, ist lediglich von der elektrischen Auslesespannung VREAD abhängig. In Formel (5) zeigt das parasitäre Signal QACC,GL eine direkte Abhängigkeit von den elektrischen Spannungen und der Auslesezeit bzw. -frequenz. Die Signalladung ist mit der Auslesefrequenz im Wesentlichen invariant, wohingegen das parasitäre Signal QACC,GL direkt proportional zur Auslesefrequenz fREAD = 1/TREAD ist.The electric charge Q ACC shown in formula (1), which serves as a useful signal, depends only on the electric read voltage V READ . In formula (5), the parasitic signal Q ACC, GL shows a direct dependence on the electrical voltages and the readout time or frequency. The signal charge is essentially invariant with the read-out frequency, whereas the parasitic signal QACC, GL is directly proportional to the read-out frequency f READ = 1 / T READ .
Vorgeschlagen wird daher, dass der mikromechanische kapazitive Sensor
Der parasitäre Offsetwert lässt sich in der elektronischen Ansteuereinrichtung
- OffsetJetzt ....
- Aktueller Offset
- OffsetTrimmed ...
- Offset nach Abgleich
- Offset Parasitär,Gemessen ...
- Gemessener parasitärer Offset
- Offset Now ....
- Current offset
- Offset Trimmed ...
- Offset after adjustment
- Offset Parasitic, Measured ...
- Measured parasitic offset
Das vorgeschlagene Messverfahren kann sowohl kontinuierlich während eines normalen Betriebs, periodischen in geeigneten Zeitabständen, oder ausschließlich nach einem Systemstart des mikromechanischen kapazitiven Sensors
Man erkennt, dass während der gesamten N Lesezyklen eine elektrische Spannung VBIAS an den Ausleseelektroden C0N, C0P angelegt ist. Man erkennt ferner, dass in Messphasen M, in denen die elektrische Spannung VREAD an der Masseelektrode CM anliegt, elektrische Ladungen kontinuierlich in Form eines elektrischen Stroms transportiert werden. In Reset-Phasen R, in denen die elektrische Auslesespannung VREAD der Masseelektrode CM auf GND liegt, wird jeweils ein Reset durchgeführt.It can be seen that during the entire N read cycles an electrical voltage VBIAS is applied to the readout electrodes C0N, C0P. It can also be seen that in measuring phases M, in which the electrical voltage VREAD is applied to the ground electrode CM, electrical charges are continuously transported in the form of an electric current. In reset phases R, in which the read electrical voltage VREAD the ground electrode CM is at GND, a reset is performed in each case.
Bedingt durch die wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 sind die Auslesezyklen TR1, TR2 unterschiedlich lang, wodurch in den genannten Auslesezyklen unterschiedliche Mengen an Ladungen QACC1, QACC2 transportiert werden. Diese unterschiedlichen Werte können mit Werten eines Kalibriervorgangs des Sensors in einem Herstellprozess verglichen werden, wodurch auf einen resistiven Nebenschluss geschlossen werden kann. Die genannten Werte des Kalibriervorgangs können beispielsweise im mikromechanischen kapazitiven Sensor
Der vorgeschlagene mikromechanische kapazitive Sensor
Im Feld befindliche Teile, die zum Beispiel durch ein Eindringen von Feuchte in das Package einen resistiven Nebenschluss zur Folge haben, werden nicht mehr als Fehlerteil eingestuft. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine Anzahl von Feuchteausfällen reduziert werden.Parts in the field that result in a resistive shunt, for example due to the penetration of moisture into the package, are no longer classified as faulty parts. Advantageously, a number of moisture losses can be reduced in this way.
Eine Qualität bzw. Art eines Dielektrikums, welches sich zwischen der MEMS-Einrichtung
Wenn die Messung kontinuierlich durchgeführt wird, dann ist die Unterdrückung von Versorgungsspannungsstörungen verbessert, da die Messung nicht mehr auf nur einer einzigen Frequenz durchgeführt wird, sondern auf mehreren. Das zugrunde liegende Prinzip ist als sogenanntes „Spread Spectrum Clocking“ an sich bekannt. Es sorgt für eine geringe Ausstrahlung von elektromagnetischen Störungen des mikromechanischen kapazitiven Sensors ins System, erhöht aber auch die eigene Robustheit gegen externe Störungen.If the measurement is carried out continuously, then the suppression of supply voltage noise is improved as the Measurement is no longer performed on a single frequency, but on several. The underlying principle is known as so-called "spread spectrum clocking". It ensures a low emission of electromagnetic interference of the micromechanical capacitive sensor into the system, but also increases its own robustness against external interference.
Der Sensor ist vorteilhaft nicht auf mikromechanische kapazitive Beschleunigungssensoren begrenzt, sondern kann auch allgemein für jedwede mikromechanische kapazitive Sensoren eingesetzt werden, z.B. für Drucksensoren, Feuchtesensoren, Temperatursensoren, usw.The sensor is advantageously not limited to micromechanical capacitive acceleration sensors, but can also be used generally for any micromechanical capacitive sensors, e.g. for pressure sensors, humidity sensors, temperature sensors, etc.
In einem Schritt
In einem Schritt
Die Reihenfolge der Schritte
Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.The person skilled in the art can also realize embodiments of the invention which are not disclosed or are only partially disclosed, without deviating from the gist of the invention.
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