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.

Figure DE102017205979A1_0000
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.
Figure DE102017205979A1_0000

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 DE 10 2004 006 197 A1 bekannt.A micromechanical pressure sensor, in which a pressure difference is measured as a function of a deformation of a sensor membrane is, for example DE 10 2004 006 197 A1 known.

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.
The object is achieved according to a first aspect with a micromechanical capacitive sensor, comprising:
  • 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.
The object is achieved according to a second aspect with a method for producing a micromechanical capacitive sensor, comprising the steps:
  • - 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.
In the figures shows:
  • 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

1 zeigt ein prinzipielles Schaltbild eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors 100 in Form eines MEMS-Beschleunigungssensors. Man erkennt eine MEMS-Einrichtung 10 mit einer beweglichen Masseelektrode CM, die entlang einer x-Achse beweglich ist. Man erkennt ferner Ausleseelektroden C0N, C0P, zwischen denen ein Kamm der Masseelektrode CM beweglich ist. Es versteht sich von selbst, dass es sich hierbei nur um eine schematische Darstellung handelt und dass in der Praxis wesentlich mehr Ausleseelektroden C0N, C0P vorgesehen sind. 1 shows a schematic diagram of a conventional micromechanical capacitive sensor 100 in the form of a MEMS acceleration sensor. One recognizes a MEMS device 10 with a movable ground electrode CM which is movable along an x-axis. It further recognizes readout electrodes C0N, C0P, between which a comb of the ground electrode CM is movable. It goes without saying that this is only a schematic representation and that in practice substantially more readout electrodes C0N, C0P are provided.

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 12, 13 in Form eines elektrischen Stroms an eine Auswerteschaltung 21 einer Ansteuer- bzw. Auswerteeinrichtung 20 übertragen werden.As a result, by moving the ground electrode CM between the sense electrodes C0N, C0P, the capacitance between the sense electrodes C0N, C0P and the ground electrode CM is affected, and electric charges can be transmitted through connection lines 12 . 13 in the form of an electrical current to an evaluation circuit 21 a control or evaluation 20 be transmitted.

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 20 eine Antriebsschaltung 22 mit einem Schalter 23, der mit der Frequenz f1 zwischen GND und der elektrischen Spannung VREAD geschaltet wird.Ideally, the ground electrode CM and the sense electrodes C0N, C0P form an ideal plate capacitor which, in the case of an acceleration sensor, is detuned by external acceleration influences. For an ordinary acceleration measurement, the readout electrodes C0N, C0P are at a fixed electrical potential V BIAS , while the electrical potential on the ground electrode CM is clocked with an alternating with a frequency f1 voltage VCM, the resulting electric charge flow measured and to determine a Acceleration value is evaluated. It can be seen for this purpose within the control device 20 a drive circuit 22 with a switch 23 which is switched at the frequency f1 between GND and the voltage VREAD.

Die beschleunigungsabhängige Ladung pro Messung errechnet sich auf diese Weise nach folgender Beziehung: Q A C C = Δ V C M Δ C A C C

Figure DE102017205979A1_0001
mit:

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
The acceleration-dependent charge per measurement is calculated in this way according to the following relationship: Q A C C = Δ V C M Δ C A C C
Figure DE102017205979A1_0001
With:
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

2 zeigt einen zeitlichen Verlauf mit N Lesezyklen zum Auslesen des konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors 100 von 1. Dargestellt sind zeitliche Verläufe von elektrischen Spannungen an den Ausleseelektroden C0N, C0P und an der Masseelektrode CM. Im Ergebnis ergibt sich dadurch ein zeitlicher Verlauf QACC der elektrischen Ladung, der proportional zur elektrischen Spannung auf den Ausleseelektroden C0N, C0P ist. Angedeutet ist, dass während eines Lesezyklus TREAD elektrische Ladungen QACC1, QACC2, usw. transportiert werden. 2 shows a time course with N read cycles for reading the conventional micromechanical capacitive sensor 100 from 1 , Shown are time courses of electrical voltages at the readout electrodes C0N, C0P and at the ground electrode CM. As a result, this results in a time course Q ACC of the electrical charge, which is proportional to the electrical voltage on the readout electrodes C0N, C0P. It is indicated that during a read cycle TREAD electric charges QACC1, QACC2, etc. are transported.

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: Q A C C = V R E A D Δ C g 1 g = 5 fC

Figure DE102017205979A1_0002

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
wobei diese Ladungsmenge ca. 30.000 Elektronen entspricht. Aus diesem geringen Signal resultiert eine nachteilig hohe Empfindlichkeit gegenüber resistiven Nebenschlüssen zwischen den Ausleseelektroden C0N, C0P und der Masseelektrode CM.Typical MEMS sensors have sensitivities in the range of less fF / g, for example 5 fF / g. At this sensitivity, with an acceleration of 1 g and an electrical voltage VREAD of 1 V, a charge Q ACC is transported according to the following equation: Q A C C = V R e A D Δ C G 1 G = 5 fC
Figure DE102017205979A1_0002
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
this charge amount corresponds to about 30,000 electrons. From this small signal results in a disadvantageous high sensitivity to resistive shunts between the readout electrodes C0N, C0P and the ground electrode CM.

Die folgende 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des mikromechanischen kapazitiven Sensors 100 von 1, der um einen parasitären resistiven Nebenschluss GL1L, GL1R ergänzt ist. Die variablen Kapazitäten sollen andeuten, dass sich die Kapazitätswerte des Sensors 100 bei einer einwirkenden Beschleunigung verstimmen.The following 3 shows an equivalent circuit diagram of the micromechanical capacitive sensor 100 from 1 , which is supplemented by a parasitic resistive shunt GL1L, GL1R. The variable capacities are intended to indicate that the capacitance values of the sensor 100 detune at an acting acceleration.

Über dem Widerstand bzw. Leitwert GL1L, GL1R des Nebenschlusses liegt eine definierte elektrische Spannungsdifferenz: Δ V G L = V R E A D V B I A S

Figure DE102017205979A1_0003
There is a defined electrical voltage difference across the resistance or conductance GL1L, GL1R of the shunt: Δ V G L = V R e A D - V B I A S
Figure DE102017205979A1_0003

Infolge dieser elektrischen Spannungsdifferenz ΔVGL fließt über den Leitwert GL1R ein parasitärer elektrischer Strom IGL gemäß folgender Beziehung: I G L = Δ V G L G L 1 _ L , R

Figure DE102017205979A1_0004
As a result of this electrical voltage difference .DELTA.V GL flows via the conductance GL1R a parasitic electric current I GL according to the following relationship: I G L = Δ V G L G L 1 _ L . R
Figure DE102017205979A1_0004

Dieser elektrische Strom IGL verursacht einen parasitären Ladungsfluss auf die Ausleseelektroden C0N, C0P, welcher bei einem konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensor 100 in seiner Wirkung nicht von einem gewöhnlichen Messsignal QACC unterschieden werden kann.This electrical current I GL causes a parasitic charge flow to the readout electrodes C0N, C0P, which in a conventional micromechanical capacitive sensor 100 in its effect can not be distinguished from a common measurement signal Q ACC .

Die absolut eingebrachte Differenzladung durch den eingebrachten Nebenschluss errechnet sich zu: Q A C C , G L = Δ I G L T R E A D 2

Figure DE102017205979A1_0005
wobei gilt: Δ I GL = Δ V GL × ( G L1L G L1R )
Figure DE102017205979A1_0006
The absolutely introduced differential charge due to the introduced shunt is calculated as: Q A C C . G L = Δ I G L T R e A D 2
Figure DE102017205979A1_0005
where: Δ I GL = Δ V GL × ( G L1L - G L1R )
Figure DE102017205979A1_0006

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: Δ G L 1 = O f f s e t G L 1 g 1 T R E A D 2 V R E A D Δ C g Δ V G L

Figure DE102017205979A1_0007

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
A transmission ratio between resistance and a faulty, read-out acceleration signal can be estimated as follows: Δ G L 1 = O f f s e t G L 1 G 1 T R e A D 2 V R e A D Δ C G Δ V G L
Figure DE102017205979A1_0007
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: TREAD=10  μ s , VREAD=1V Δ V GL = 0.5 V

Figure DE102017205979A1_0008
The following parameters are used: TREAD = 10 μ s , VREAD = 1V . Δ V GL = 0.5 V
Figure DE102017205979A1_0008

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 100 zur Unterdrückung des parasitären Nebenschlusswiderstands nicht mehr nur mit einer einzigen Frequenz f1, sondern alternierend mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 betrieben bzw. ausgelesen wird. Eine Änderung des Beschleunigungsmittelwerts zwischen beiden Auslesefrequenzen f1, f2 lässt einen direkten Rückschluss auf die parasitäre Komponente der Beschleunigung zu, die dann aus dem Messwert eliminiert wird.It is therefore proposed that the micromechanical capacitive sensor 100 to suppress the parasitic shunt resistance is no longer operated or read only with a single frequency f1, but alternately with at least two different frequencies f1 and f2. A change in the mean acceleration value between the two read-out frequencies f1, f2 allows a direct inference to the parasitic component of the acceleration, which is then eliminated from the measured value.

Der parasitäre Offsetwert lässt sich in der elektronischen Ansteuereinrichtung 20 berechnen und dann in geeigneter Form nach folgender Beziehung zu einer Korrektur des Offsets verwenden: O f f s e t J e t z t = O f f s e t T r i m m e d + O f f s e t P a r a s i t ä r , G e m e s s e n

Figure DE102017205979A1_0009
mit:

OffsetJetzt ....
Aktueller Offset
OffsetTrimmed ...
Offset nach Abgleich
Offset Parasitär,Gemessen ...
Gemessener parasitärer Offset
The parasitic offset value can be in the electronic drive device 20 and then use it in an appropriate form according to the following relation to a correction of the offset: O f f s e t J e t z t = O f f s e t T r i m m e d + O f f s e t P a r a s i t ä r . G e m e s s e n
Figure DE102017205979A1_0009
With:
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 100 einmalig durchgeführt werden. Im kontinuierlichen Betrieb des Sensors 100 ist es notwendig, einen geeigneten Algorithmus zu implementieren, um sicherzustellen, dass das Nutzsignal (d.h. eine Änderung einer erfassten Größe, z.B. einer Beschleunigung) von der Messung nicht beeinflusst wird und vice versa.The proposed measuring method can be either continuously during normal operation, periodically at suitable time intervals, or only after a system start of the micromechanical capacitive sensor 100 be carried out once. In continuous operation of the sensor 100 it is necessary to implement a suitable algorithm to ensure that the useful signal (ie a change of a detected quantity, eg an acceleration) is not affected by the measurement and vice versa.

4 zeigt in einer zeitlichen Sequenz eine Wirkungsweise des vorgeschlagenen Verfahrens mit N Lesezyklen. 4 shows in a time sequence an operation of the proposed method with N read cycles.

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 100 hinterlegt sein und im operativen Normalbetrieb zur Ermittlung des resistiven Nebenschlusses und dessen Elimination verwendet werden.Due to the at least two different frequencies f1, f2, the read-out cycles TR1, TR2 have different lengths, whereby different amounts of charges QACC1, QACC2 are transported in the read-out cycles. These different values can be compared with values of a calibration process of the sensor in a manufacturing process, which can be concluded that a resistive shunt. The stated values of the calibration process can be used, for example, in the micromechanical capacitive sensor 100 be deposited and used in operative normal operation to determine the resistive shunt and its elimination.

Der vorgeschlagene mikromechanische kapazitive Sensor 100 bietet mehrere Vorteile:The proposed micromechanical capacitive sensor 100 offers several advantages:

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 10 und der Ansteuereinrichtung 20 befindet, kann durch ein eigentlich ungeeignetes, geringfügig resistives Material ersetzt werden, wenn dies anderweitige Vorteile bringt, z.B. hinsichtlich Kosten oder eines Verhaltens bei mechanischem Stress. Zu diesem Zweck wird eine Moldmasse zwischen der MEMS-Einrichtung 10 und der Ansteuereinrichtung 20 angeordnet, die die Verbindungsleitungen 11, 12, 13 umschließt und eine möglichst geringen resistiven Einfluss und/oder eine optimierte mechanische Stressentkopplung bewirkt.A quality or type of dielectric, which is located between the MEMS device 10 and the drive device 20 can be replaced by an actually unsuitable, slightly resistive material, if this brings other benefits, such as in terms of cost or behavior under mechanical stress. For this purpose, a molding compound between the MEMS device 10 and the drive device 20 arranged the connecting lines 11 . 12 . 13 encloses and causes the lowest possible resistive influence and / or an optimized mechanical stress decoupling.

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.

5 zeigt ein Blockschaltbild eines vorgeschlagenen mikromechanischen kapazitiven Sensors 100. Man erkennt, dass in der Ansteuereinrichtung 20 eine Antriebseinrichtung 22 angeordnet ist, die einen Schalter 25 aufweist, der mit wenigstens zwei unterschiedliche Frequenzen f1, f2 angesteuert wird. Zur Steuerung des Schalters 25 ist ein digitales Steuerungselement 24 vorgesehen. Das Ausgangssignal des Schalters 25 wird zur Ansteuerung des Schalters 23 zur Schaltung der Auslesespannung VREAD verwendet. Aufgezeichnet wird beispielsweise ein Unterschied eines Beschleunigungswerts bei der ersten Frequenz f1 und der zweiten von f1 unterschiedlichen Frequenz f2, der z.B. 5mg beträgt. Dadurch kann der genannte Unterschied mit einem Kalibrierwert verglichen werden und bei einem Abweichen der Messung im Feld auf einen resistiven Nebenschluss geschlossen werden, der im Normalbetrieb eliminiert wird und dadurch vorteilhaft nicht in Erscheinung tritt. Alternativ kann zur Selektion bzw. Einstellung der Frequenzen f1, f2 anstelle des Schalters 25 auch ein geeignetes anderes Selektionsmittel verwendet werden (nicht dargestellt). 5 shows a block diagram of a proposed micromechanical capacitive sensor 100 , It can be seen that in the control device 20 a drive device 22 is arranged, which is a switch 25 which is driven with at least two different frequencies f1, f2. To control the switch 25 is a digital control element 24 intended. The output signal of the switch 25 is used to control the switch 23 used for switching the read voltage VREAD. For example, a difference of an acceleration value at the first frequency f1 and the second from f1 different frequency f2, which is eg 5 mg, is recorded. As a result, the said difference can be compared with a calibration value and, if the measurement deviates in the field, it can be concluded that there is a resistive shunt, which is eliminated during normal operation and thus advantageously does not appear. Alternatively, to select the frequencies f1, f2 instead of the switch 25 also a suitable other selection agent can be used (not shown).

6 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Sensors 100. 6 shows a basic sequence of a method for producing a micromechanical capacitive sensor 100 ,

In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen einer MEMS-Einrichtung 10 mit einer beweglichen Masseelektrode und einer definierten Anzahl von Erfassungselektroden durchgeführt, die mit der beweglichen Masseelektrode zusammenwirkbar ausgebildet werden, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode zu erfassen.In one step 200 becomes a provision of a MEMS device 10 performed with a movable ground electrode and a defined number of detection electrodes, which are formed cooperatively with the movable ground electrode to detect electrical charge shifts on the readout electrodes due to movement of the ground electrode.

In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen einer Ansteuereinrichtung durchgeführt, die ausgebildet wird, 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.In one step 210 a provision is made of 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 Reihenfolge der Schritte 200 und 210 ist vorteilhaft vertauschbar.The order of steps 200 and 210 is advantageous interchangeable.

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.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102004006197 A1 [0003]DE 102004006197 A1 [0003]

Claims (8)

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. Mikromechanischer kapazitiver Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet kann, dass mittels der Ansteuereinrichtung (20) ein Ansteuersignal mit den wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen (f1, f2) einem Schalter (23) zum Schalten einer elektrischen Auslesespannung (VREAD) zuführbar ist.Micromechanical capacitive sensor (100) after Claim 1 , characterized in that by means of the drive device (20) a drive signal with the at least two different frequencies (f1, f2) a switch (23) for switching an electrical read voltage (VREAD) can be fed. Mikromechanischer kapazitiver Sensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitwert einer Moldmasse derart ist, dass zwischen Verbindungsleitungen (12, 13) der Ausleseelektroden (C0N, C0P) und einer Verbindungsleitung (11) der Masseelektrode (CM) zur Ansteuereinrichtung (20) eine definiert geringe Leitfähigkeit und/oder eine möglichst optimale Stressentkopplung realisiert ist.Micromechanical capacitive sensor (100) after Claim 1 or 2 , characterized in that a conductance of a molding compound is such that between connecting lines (12, 13) of the readout electrodes (C0N, C0P) and a connecting line (11) of the ground electrode (CM) to the drive means (20) has a defined low conductivity and / or the best possible stress decoupling is realized. Mikromechanischer kapazitiver Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Frequenzen (f1, f2) definiert innerhalb eines definierten Frequenzbands verteilt sind.Micromechanical capacitive sensor (100) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the at least two frequencies (f1, f2) are distributed in a defined manner within a defined frequency band. Mikromechanischer kapazitiver Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Offset-Messwert einer Messung mit den beiden Frequenzen (f1, f2) im Sensor (100) hinterlegt ist.Micromechanical capacitive sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that an offset measured value of a measurement with the two frequencies (f1, f2) is deposited in the sensor (100). Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven mikromechanischen Sensors (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen einer MEMS-Einrichtung (10) mit einer beweglichen Masseelektrode (CM) und einer definierten Anzahl von Ausleseelektroden (C0N, C0P), die mit der beweglichen Masseelektrode (CM) zusammenwirkbar ausgebildet werden, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden (C0N, C0P) aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode (CM) zu erfassen; und - Bereitstellen einer 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.A method of making a capacitive micromechanical sensor (100), comprising the steps of: - Providing a MEMS device (10) with 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 - Providing 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. Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Offset-Messwert einer Messung mit den beiden Frequenzen (f1, f2) im Sensor (100) hinterlegt wird.Method according to Claim 6 , wherein an offset measured value of a measurement with the two frequencies (f1, f2) is stored in the sensor (100). Verwendung eines mikromechanischen kapazitiven Sensors (100) nach Anspruch 1 als ein Beschleunigungssensor oder als ein Drucksensor oder als ein Temperatursensor.Use of a micromechanical capacitive sensor (100) according to Claim 1 as an acceleration sensor or as a pressure sensor or as a temperature sensor.
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