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Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors.
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Stand der Technik
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Moderne Verpackungstechniken machen es erforderlich, den drucksensitiven Teil eines Drucksensors in Form einer Drucksensormembran mittels spezieller Federdesigns zum restlichen Teil des Sensors mechanisch zu entkoppeln und damit unabhängig von AVT-Einflüssen (Aufbau- und Verbindungstechnik) zu machen. Ein neuartiger Trend innerhalb der Drucksensoren ist es, den drucksensitiven Teil in Form der Drucksensormembran mittels spezieller Federdesigns vom restlichen Teil des Sensors mechanisch zu entkoppeln und damit genauer zu machen.
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Externe Einflüsse, welche den Drucksensor unter mechanischen Stress (z.B. Verbiegung) setzen, sind zum Beispiel mechanische Verspannungen aufgrund eines Moldprozesses, ein Aufbau mit mehreren Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Stress durch Lötverbindungen des aufgebauten Sensors auf einer externen Leiterplatte, usw.
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Im Folgenden wird ein derartiger Aufbau als ein sogenannter „stressentkoppelter Drucksensor“ bezeichnet.
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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.
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Beschleunigungssensoren detektieren einer Auslenkung einer trägen Masse meist über eine Kapazitätsänderungen zwischen einer bewegten und einer unbewegten Struktur.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten mikromechanischen Sensor bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend:
- - einen Sensorrahmen;
- - ein an den Sensorrahmen mittels wenigstens eines Federelements angebundener Drucksensorkern mit einer Drucksensormembran; und
- - wenigstens eine im Federelement angeordnete Detektionseinrichtung, mittels der wenigstens eine definierte geometrische Beschleunigungsauslenkung des Drucksensorkerns detektierbar ist.
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Auf diese Weise wird ein mikromechanischer Sensor bereitgestellt, mit dem der Parameter Druck und der Parameter Beschleunigung in wenigstens eine der drei Beschleunigungsachsen ermittelbar ist. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft auf einem einzigen MEMS-Element ein Kombinationssensor in Form eines kombinierten Druck- und Beschleunigungssensors realisieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:
- - Ausbilden eines Sensorrahmens;
- - Ausbilden eines Drucksensorkerns mit einer Drucksensormembran, wobei der Drucksensorkern mittels wenigstens eines Federelements an den Sensorrahmen angebunden wird; und
- - Ausbilden wenigstens einer im Federelement angeordneten Detektionseinrichtung, mittels der wenigstens eine definierte geometrische Auslenkung des Drucksensorkerns detektierbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass er mehrere Detektionseinrichtungen aufweist, wobei mittels jeweils einer der Detektionseinrichtungen eine Beschleunigungsauslenkung des Drucksensorkerns in eine definierte geometrische Richtung detektierbar ist. Auf diese Weise kann ein gut diversifiziertes Sensierverhalten für den mikromechanischen Sensor bereitgestellt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass die wenigstens eine Detektionseinrichtung als eine Wheatstone'sche Brücke ausgebildet ist. Auf diese Weise lassen sich die Beschleunigungsauslenkungen mittels einer elektrischen Brückenspannung der Wheatstone'schen Brücke sehr genau ermitteln.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass eine halbe Anzahl von Detektionselementen von wenigstens einer Wheatstone'schen Brücke auf dem Sensorrahmen angeordnet sind. Auf diese Weise kann auch eine Beschleunigungsauslenkung des Drucksensorkerns in y-Richtung ermittelt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Detektionselemente von wenigstens einer Wheatstone'schen Brücke in einem verjüngten Abschnitt des Federelements angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft eine Sensitivität der Erfassung von Beschleunigungswerten erhöhen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass aus den ermittelten Beschleunigungswerten des Drucksensorkerns in eine definierte Richtung eine Querempfindlichkeit herausrechenbar ist. Auf diese Weise kann eine höhere Sensiergenauigkeit des mikromechanischen Sensors betreffend Beschleunigungswerte bereitgestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass mittels Selektionselementen die Wheatstone'schen Brücken definiert ansteuerbar sind. Auf diese Weise können unterschiedliche Beschleunigungswerte erfasst und klassifiziert werden, sodass unter Umständen ein gleichzeitiges Bestromen und Auslesen eines mit dem Sensor erfassten Druckwertes nicht erforderlich ist. Im Ergebnis ist dadurch ein stromsparender Betrieb einer mit dem mikromechanischen Sensor ausgerüsteten portablen Einrichtung (z.B. Mobiltelefon) unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensorkern mittels mehrerer Federelemente an den Sensorrahmen angebunden ist. Auf diese Weise kann bei Vorhandensein einer Detektionseinrichtung in jedem Federelement die Erfassung der Beschleunigungsauslenkung des Drucksensorkerns noch genauer durchgeführt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben 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.
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Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
- 2 eine Draufsicht auf einen Abschnitt des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors von 1;
- 3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;
- 4 ein Blockschaltbild einer Schaltung zum selektiven Ansteuern von Detektionseinrichtungen des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors; und
- 5 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Bereitstellung eines mikromechanischen Sensors mit kombinierter Druck- und Beschleunigungserfassung.
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Dies kann mit einer Integration eines Beschleunigungssensors in einen im MEMS stressentkoppelten Drucksensor ohne zusätzliche Prozessschritte realisiert werden.
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Eine vereinfachte Draufsicht auf eine Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100 ist in 1 gezeigt. Der drucksensitive Teil des mikromechanischen Sensors 100, im Folgenden als Drucksensorinsel oder Drucksensorkern 30 bezeichnet, weist eine Drucksensormembran 31 und eine umlaufende mechanische Stabilisierung (nicht dargestellt) auf. Auf der Drucksensormembran 31 sind Detektionselemente 32 in Form von piezoresistiven Elementen bzw. Piezowiderständen zum Erfassen einer Verformung der Drucksensormembran 31 angeordnet.
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Vier Detektionselemente 32 sind elektrisch zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet, wobei aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit elektrische Leitungen der Wheatstone'schen Brücke in 1 nicht dargestellt sind. Man erkennt einen mit nur einem einzigen Federelement 20 vom Drucksensorrahmen 10 stressentkoppelten Drucksensorkern 30.
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Erkennbar sind vier weitere zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltete Detektionselemente 21a...21d, die am Federelement 20 ausgebildet sind und eine Detektionseinrichtung für eine Beschleunigung des Drucksensorkerns 30 in y-Richtung bilden.
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Ferner erkennbar sind vier weitere Detektionselemente 22a...22d, die ebenfalls am Federelement 20 ausgebildet sind und als eine Detektionseinrichtung für eine Beschleunigung des Drucksensorkerns 30 in x-Richtung fungieren.
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Um für die Detektionselemente 21a...21d, 22a...22d eine möglichst hohe Sensitivität auf die Auslenkung des freigestellten Drucksensormembranbereichs zu erreichen, werden sie möglichst nahe an Einspannungen respektive Abwinkelungen des Federelements 20 angeordnet. Zusätzlich können am Ort dieser Detektionselemente die Federelemente 20, wie dargestellt, verjüngt ausgebildet sein, um auf diese Weise bei Belastung eine Stressüberhöhung zu erreichen und dadurch eine Sensitivität des Sensors 100 zu steigern.
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Vorzugsweise werden jeweils zwei Detektionselemente vorzugsweise gegenüberliegend an der Verjüngungsstelle des Federelements 20 positioniert. Für eine hohe Stress- bzw. Auslenkungssensitivität sind die Detektionselemente vorzugsweise möglichst nah am Rand des Federelements 20 angeordnet.
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Außerdem können zwei weitere Paare von Detektionselementen 23a...23d auf dem Drucksensorrahmen 10 („piezo on solid state“) angeordnet sein, wo keine Stressänderung aufgrund von Beschleunigung auftritt.
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Durch externe mechanische Anregungen (zum Beispiel bei einem Fallen und Aufschlagen des Drucksensors 100 am Boden), kann der Drucksensorkern 30 sehr stark beschleunigt werden. Der stressentkoppelte Drucksensormembranbereich wirkt als eine träge mechanische Masse, welche bei Beschleunigung auslenkt und die entkoppelnden Federelemente 20 unter Stress setzt, welcher mittels der Detektionselemente 21a...21d, 22a...22d, 23a...23d gemessen wird.
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Im Ergebnis kann durch eine geeignete Anordnung mehrerer Detektionselemente an der Verjüngungsstelle und orthogonale Anordnung mehrerer Verjüngungsstellen eine Beschleunigung des Drucksensorkerns 30 in alle drei Raumrichtungen x, y, z bestimmt werden.
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2 zeigt zwei Ausschnitte der Draufsicht von 1, sowie eine Wheatstone'sche Brücke mit Bezeichnungen für die Ohm'schen Widerstände R1...R4.
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Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt Verschaltungsoptionen mit den dadurch messbaren Beschleunigungen:
Tabelle 1
| Anliegende, uniaxiale Beschleunigung | R1 | R2 | R3 | R4 | Durch Widerstandskombination gemessene Beschleunigungsrichtung |
| x | 22a | 22b | 21c | 21d | - |
| x | 21a | 21b | 21c | 21d | x |
| y | 22a | 22b | 21c | 21d | y |
| y | 21a | 21b | 21c | 21d | - |
| z | 22a | 21c | 21d | 22b | z |
| z | 21a | 21c | 21d | 21b | z |
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Bei einer äußeren Beschleunigung in y-Richtung erfahren beide Detektionselemente 21a, 21b aufgrund der Massenträgheit einer Masse M einen Zugstress, d.h. eine gleichgerichtete Widerstandsänderung (vergleiche Zeile 4 von Tabelle 1). Die elektrische Spannung am Spannungsteiler 21a, 21b ändert sich somit nicht, weshalb diese Konfiguration nicht sensitiv auf Beschleunigung in y-Richtung ist.
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Hingegen erfährt das Detektionselement 22b bei einer äußeren Beschleunigung in y-Richtung eine Zugbelastung und das Detektionselement 22a eine Kompressionsbelastung. Somit lässt sich hier bei geeigneter Verschaltung (siehe Zeile 3 von Tabelle 1) die y-Beschleunigung messen. Hierbei können für die zwei anderen Piezowiderstände der Wheatstone'schen Brücke die Detektionselemente 21c, 21d des Sensorrahmens 10 benutzt werden oder alternativ geeignete Detektionselemente (nicht dargestellt in 2) an einem anderen Ort des Federelements 20. Im Ergebnis lässt sich dadurch eine Wheatstone'sche Brücke entweder durch vier Piezowiderstände am Federelement 20 oder durch zwei Piezowiderstände am Federelement und zwei Piezowiderstände am Sensorrahmen 10 realisieren.
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Die Tabelle 1 stellt noch weitere, lediglich beispielhaft ausgewählte Kombinationen dar, wobei auch noch weitere, nicht in der Tabelle dargestellte Kombinationen möglich sind. Erkennbar ist, dass bei geeigneter Verschaltung der Detektionselemente auch die z-Komponente der Beschleunigung gemessen werden kann.
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Aufgrund der Querempfindlichkeiten kann eine genauere Bestimmung der Beschleunigung in den drei Raumachsen durch eine lineare Transformation folgender Art durchgeführt werden:
mit den Parametern:
- x, y, z
- berechnete Beschleunigungswerte in den drei Raumrichtungen
- m1...m6
- Messwerte gemäß Tabelle 1
- d11...d63
- Koeffizienten zur Bereinigung der Querempfindlichkeit
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Statt, wie in der obigen Transformationsbeziehung dargestellt, sechs Messungen durchzuführen, reichen zum Herausrechnen der Querempfindlichkeit auch drei Messungen.
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Durch das Vorhandensein lediglich eines einzigen Federelements 20 ist für den mikromechanischen Sensor 100 der 1 und 2 vorteilhaft eine platzsparende Bauform unterstützt.
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100, die aufgrund ihrer symmetrischen Bauform vorteilhaft noch weniger Quereffekte hinsichtlich der Beschleunigungsrichtungen aufweist. Die für die 1 und 2 angeführten Erläuterungen gelten sinngemäß auch für die Ausführungsform des mikromechanischen Sensors von 3.
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Wie die verschiedenen Wheatstone'schen Brücken über Selektionselemente 40a...40c ausgelesen bzw. angesteuert werden können, ohne dafür vier jeweils platzverbrauchende Bondpads auf dem mikromechanischen Sensor 100 anlegen zu müssen, zeigt beispielhaft 4 für eine elektrische Versorgungsleitung der Wheatstone'schen Brücke.
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Man erkennt drei Bondpads 50a...50c, die funktional mit Selektionselementen 40a...40c in Form von an sich bekannten Transmission Gates verbunden sind. Über eine geeignete Ansteuerung der Selektionselemente 40a...40c ist es möglich, vier der oben genannten Wheatstone'schen Brücken sequentiell mit einer elektrischen Versorgungsspannung VDD zu versorgen. Dabei fungieren die Kontaktierungselemente 50a, 50b als Steuerleitungen, wobei am Kontaktierungselement 50c die elektrische Versorgungsspannung VDD angelegt wird. Durch ein geeignete Ansteuerung der Selektionselemente 40a...40c kann auf diese Weise erreicht werden, dass die elektrische Versorgungsspannung VDD sequentiell an die vier Wheatstone'schen Brücken angelegt wird. In 4 ist erkennbar, dass die elektrische Versorgungsspannung in den Wheatstone'schen Brücken als elektrische Versorgungsspannungen VDD B1... VDD B4 realisiert sind.
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Auf diese Weise können für vier Freiheitsgrade (Druck und drei Achsen Beschleunigung) des mikromechanischen Sensors 100 vier Wheatstone'sche Brücken verwendet werden, welche über nur zwei Steuerleitungen gemeinsam mit vier durchschaltbaren Brückenanschlüssen angesteuert bzw. ausgelesen werden können.
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Auf diese Weise können selektiv die elektrischen Brückenspannungen der Wheatstone'schen Brücken ausgelesen werden, ohne ein Drucksensorsignal auslesen zu müssen. Im Ergebnis ist dadurch eine stromsparende Betriebsweise des mikromechanischen Sensors 100 unterstützt. Vorteilhaft können auf diese Weise alle vier Freiheitsgrade mit demselben ASIC-Frontend-Baustein ausgelesen werden.
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Statt 4 + 3 + 3 + 3 = 13 Anschlüsse/Bondpads (bei gemeinsamer Erdung der vier Wheatstone'schen Brücken) sind bei der Integration von kaskadierten Selektionselementen zum Durchschalten einer der vier Brücken auf die Anschlüsse/Bondpads vorteilhaft lediglich 4 + 2 = 6 Anschlüsse/Bondpads erforderlich.
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Vorteilhaft ist auf diese Weise das Unterdrücken von Drucksensorfehlsignalen bei sehr hohen Beschleunigungen, zum Beispiel einem Aufschlagen des mikromechanischen Sensors auf dem Boden ermöglicht.
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Insbesondere ermöglicht der Beschleunigungssensor ein Aufwecken des Drucksensors bei Bewegung oder ein Unterdrücken von Drucksensorfehlsignalen bei sehr hohen Beschleunigung.
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Vorteilhaft sind zum Herstellen des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100 gegenüber einem stressentkoppelter Drucksensor ohne Beschleunigungs-Messfunktionalität keine zusätzlichen Prozessschritte erforderlich.
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Durch Anordnen eines Detektionselements in die neutrale Faser (bezüglich x/y), d.h. zum Beispiel in die Mitte eines Federelements 20 oder in die Nähe der Einspannung des Federelements, kann für den Drucksensorkern 30 z.B. auch nur die Beschleunigungskomponente in z-Richtung gemessen werden.
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In einer nicht in Figuren dargestellten Variante können alternativ auch mehrere Federelemente zum Aufhängen des freigestellten Drucksensormembranbereichs verwendet werden. Dabei können sich eine oder mehrere Federelemente 20 vom Sensorrahmen 10 ausgehend in Richtung des freigestellten Drucksensormembranbereichs zu noch mehr Federelemente aufteilen und/oder zu weniger Federelementen vereinigen.
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Statt die Piezowiderstände zu fest definierten Wheatstone'schen Brücken zu verdrahten und diese verschiedenen Brücken anzusteuern, können mittels der Selektionselemente in Form von Transmission Gates auch die Piezowiderstände flexibel zu einer einzigen Wheatstone'schen Brücke zusammengeschaltet und ausgelesen werden, so dass die oben erwähnten mindestens drei oder vier Messungen noch einfacher durchgeführt werden können.
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Statt dreier Beschleunigungskanäle in x, y, z kann auch nur eine einzige Beschleunigungsgröße gemessen werden, die mit allen Beschleunigungsrichtungen verknüpft ist, sodass dieser eine Kanal für das Ein-/Ausschalten des mikromechanischen Sensors verwendet werden kann.
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5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100.
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In einem Schritt 200 wird ein Sensorrahmen 10 ausgebildet.
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In einem Schritt 210 wird ein Drucksensorkern 30 mit einer Drucksensormembran 31 ausgebildet, wobei der Drucksensorkern 30 mittels wenigstens eines Federelements 20 an den Sensorrahmen 10 angebunden wird.
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In einem Schritt 220 wird wenigstens eine im Federelement 20 angeordnete Detektionseinrichtung ausgebildet, mittels der wenigstens eine definierte geometrische Auslenkung des Drucksensorkerns 30 detektierbar ist.
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Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004006197 A1 [0005]
