DE102017216009A1 - Method for testing a micromechanical baseband sensor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors (100), aufweisend die Schritte:
- Einbringen von elektrostatischen Kräften auf eine Masseelektrode (CM) des Basisbandsensors (100), wobei die Masseelektrode (CM) definiert ausgelenkt wird;
- Definiert langes Warten; und
- Definiertes Auswerten einer geometrischen Auslenkung der Masseelektrode (CM) nach Ablauf der Wartezeit (tNK).
A method of testing a micromechanical baseband sensor (100), comprising the steps of:
- introducing electrostatic forces to a ground electrode (CM) of the baseband sensor (100), the ground electrode (C M ) being deflected in a defined manner;
- Defines a long wait; and
- Defined evaluation of a geometric displacement of the ground electrode (CM) after the waiting time (t NK ).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors. Die Erfindung betrifft ferner einen mikromechanischen Basisbandsensor.The invention relates to a method for testing a micromechanical baseband sensor. The invention further relates to a micromechanical baseband sensor.
Stand der TechnikState of the art
Mikromechanische kapazitive Sensoren (Beschleunigungs-, Drucksensoren, usw.) werden im Normalbetrieb üblicherweise auf einer einzelnen Frequenz betrieben. Kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren bestehen aus recht einfach aufgebauten Strukturen. Es handelt sich hierbei letztlich um einen Plattenkondensator, der von externen Beschleunigungseinflüssen verstimmt wird.Micromechanical capacitive sensors (accelerometers, pressure sensors, etc.) are normally operated on a single frequency during normal operation. Capacitive MEMS acceleration sensors consist of fairly simple structures. This is ultimately a plate capacitor, which is detuned by external acceleration influences.
Prinzipiell lässt sich der MEMS-Beschleunigungssensor in drei Komponenten zerlegen:
- a) eine feststehende Masse/Kondensatorplatte
- b) eine mittels Federn aufgehangene Kondensatorplatte, die durch eine externe Beschleunigung geometrisch verschoben wird
- c) ein Gehäuse mit definiertem Innendruck, in welcher sich der Sensor befindet
- a) a fixed mass / capacitor plate
- b) a suspended by means of springs capacitor plate, which is geometrically displaced by an external acceleration
- c) a housing with a defined internal pressure, in which the sensor is located
Die genannten Sensoren werden in der Regel auf ausreichenden Innendruck geprüft, dabei ist jedoch ein Einfluss von zu geringem herrschendem Innendruck in der Regel nicht oder nur mit großem Aufwand ermittelbar. Der Innendruck ließe sich zwar allgemein auch durch eine Rauschleistungsdichtemessung bestimmen, allerdings wird aufgrund von Umgebungseinflüssen (z.B. Eigenbewegung der Abgleichmaschine) eine derartige Messung herkömmlicherweise nicht durchgeführt.The sensors mentioned are usually tested for sufficient internal pressure, but an influence of insufficient internal pressure is usually not or only with great effort can be determined. Although the internal pressure could be generally determined by a noise power density measurement as well, such a measurement is conventionally not performed due to environmental influences (e.g., self-movement of the adjustment engine).
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide an improved method for testing a micromechanical baseband sensor.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors, aufweisend die Schritte:
- - Einbringen von elektrostatischen Kräften auf eine Masseelektrode des Basisbandsensors, wobei die Masseelektrode definiert ausgelenkt wird;
- - Definiert langes Warten; und
- - Definiertes Auswerten einer geometrischen Auslenkung der Masseelektrode nach Ablauf der Wartezeit.
- - Applying electrostatic forces on a ground electrode of the baseband sensor, wherein the ground electrode is deflected defined;
- - Defines a long wait; and
- - Defined evaluation of a geometric deflection of the ground electrode after the waiting time.
Im Ergebnis wird auf diese Weise ein indirektes Verfahren zur Ermittlung einer Rauschleistungsdichte bereitgestellt, die über ein Innendruck des Basisbandsensors ermittelt werden kann. Dabei wird eine elektrostatische Kraft erzeugt, die zur Sensorauslenkung führt, wobei danach dem Sensor Zeit gegeben wird, damit die mechanische Masse zurückschwingen kann. Aus der geometrischen Auslenkung der Masse kann auf den im Sensor herrschenden Innendruck geschlossen werden.As a result, an indirect method of detecting a noise power density which can be detected by an internal pressure of the baseband sensor is provided in this way. In this case, an electrostatic force is generated, which leads to Sensorauslenkung, after which time the sensor is given so that the mechanical mass can swing back. From the geometric deflection of the mass can be closed to the pressure prevailing in the sensor internal pressure.
Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Basisbandsensor, aufweisend:
- - eine 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
- - einer Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, die Masseelektrode mit wenigstens zwei unterschiedlichen elektrostatischen Kräften anzusteuern und die Auslenkung der Masseelektrode nach einer definierten Wartezeit definiert auszuwerten.
- 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 means which is adapted to drive the ground electrode with at least two different electrostatic forces and to evaluate the deflection of the ground electrode defined after a defined waiting time.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the method for testing a micromechanical baseband sensor are the subject of dependent claims.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Warten so lange durchgeführt wird, bis die Masseelektrode einen definierten Prozentsatz ihres Vollausschlags erreicht hat. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, die Auslenkung der Masseelektrode nach definierten mathematischen Grundsätzen definiert auszuwerten. A preferred embodiment of the method provides that the waiting is carried out until the ground electrode has reached a defined percentage of its full scale. In this way, it is advantageously possible to evaluate the deflection of the ground electrode according to defined mathematical principles.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Warten so lange durchgeführt wird, bis die Masseelektrode ca. 30% bis ca. 70%, vorzugsweise ca. 50% ihres Vollausschlags erreicht hat. Dadurch werden günstige geometrische Angaben betreffend die gemittelte Auslenkung der Masseelektrode bereitgestellt.A further preferred development of the method is characterized in that the waiting is carried out until the ground electrode has reached about 30% to about 70%, preferably about 50% of its full scale. This provides favorable geometric information regarding the average deflection of the ground electrode.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass eine Auslenkung der Masseelektrode nach der definierten Wartezeit in einen Innendruck des Basisbandsensors umgerechnet wird. Auf diese Weise kann eine effiziente Überprüfung des Innendrucks des mikromechanischen Basisbandsensors durchgeführt werden, der im Normalbetrieb einen wichtigen Parameter darstellt.A further preferred embodiment of the method is characterized in that a deflection of the ground electrode after the defined waiting time is converted into an internal pressure of the baseband sensor. In this way, an efficient check of the internal pressure of the micromechanical baseband sensor can be carried out, which represents an important parameter during normal operation.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren von einem Anwender zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Nutzung des Basisbandsensors initiiert werden kann. Dadurch wird einem Anwender vorteilhaft die Möglichkeit geboten, das vorschlagen Verfahren zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebs des mikromechanischen Basisbandsensors durchzuführen. Eine schnelle Analyse des Basisbandsensors ist diese Weise vorteilhaft unterstützt.A further preferred embodiment of the method provides that the method can be initiated by a user at any time during the use of the baseband sensor. This advantageously offers the user the option of proposing methods at any time during the operation of the micromechanical baseband sensor. A quick analysis of the baseband sensor is favorably supported this way.
Weitere vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sehen vor, dass das Verfahren für einen kapazitiven Beschleunigungssensor oder einen kapazitiven Drucksensor durchgeführt wird. Auf diese Weise werden nützliche Anwendungsfälle für das Verfahren bereitgestellt.Further advantageous embodiments of the method provide that the method for a capacitive acceleration sensor or a capacitive pressure sensor is performed. This provides useful use cases for the method.
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 Basisbandsensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors 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 baseband sensor result analogously from corresponding embodiments, features and technical advantages relating to the method for testing a micromechanical baseband sensor and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 eine prinzipielle Darstellung eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors; -
2 ein zeitliches Diagramm zum Erläutern eines Messens mittels eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors; -
3 ein zeitliches Diagramm zum Erläutern eines vorgeschlagenen Prüfens eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors; und -
4 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Prüfen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Basisbandsensors.
-
1 a schematic representation of a conventional micromechanical capacitive acceleration sensor; -
2 a timing diagram for explaining a measurement by means of a conventional micromechanical capacitive acceleration sensor; -
3 a timing diagram for explaining a proposed testing of a micromechanical capacitive acceleration sensor; and -
4 a basic sequence of an embodiment of a method for testing a proposed micromechanical baseband sensor.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Im Ergebnis wird durch das Bewegen der Masseelektrode
Idealerweise bilden die Masseelektrode
Durch die elektrischen Auslösespannungen ergibt sich folgende elektrostatische Kraft:
Dies bedeutet, dass im Normalbetrieb durch die Gleichheit der elektrischen Spannungen an den Ausleseelektroden
Im Normalbetrieb ist die Auslenkung also in erster Näherung unabhängig von internen elektrostatischen Kräften, somit dominiert von der Federkonstante, nach welcher gilt:
- FACC
- durch externe Beschleunigung aufgebrachte Kraft
- K
- Federkonstante
- Δx
- geometrische Auslenkung der Masseelektrode
CM - Masse(CM)
- physikalische Masse der Masseelektrode CM
- a
- externe zu messende Beschleunigung
- F ACC
- force applied by external acceleration
- K
- spring constant
- Ax
- geometric deflection of the ground electrode
CM - Mass (CM)
- physical mass of the ground electrode CM
- a
- external acceleration to be measured
Eine Selbsttestfunktionalität, wie sie in herkömmlichen Beschleunigungssensoren realisiert ist, arbeitet nach folgendem Prinzip:
- (i) Ausüben einer asymmetrischen elektrostatischen Kraft auf den Sensor
- (ii) Vermessen der daraus resultierenden Bewegung der Masseelektrode CM
- (i) applying an asymmetric electrostatic force to the sensor
- (ii) measuring the resulting movement of the ground electrode CM
Dargestellt sind zeitliche Verläufe von elektrischen Spannungen an den Ausleseelektroden
Man erkennt in der
In der Anregungsphase A wirkt auf die Masseelektrode
- Felec
- auslenkende elektrostatische Kraft
- VDISPLACE .
- effektive elektrische Auslenkspannung
- d1, d2
- Abstände der Ausleseelektroden von der Masseelektrode
- C1, C2
- skalierende Konstanten
- F elec
- deflecting electrostatic force
- V DISPLACE .
- effective electrical deflection voltage
- d1, d2
- Distances of the readout electrodes from the ground electrode
- C1, C2
- scaling constants
Die Kraft wird, bedingt durch die Federkonstante der Federn, mit denen die Masseelektrode
Es wird also die Messung der elektrostatischen Auslenkung herkömmlich unmittelbar nach der Anregung durchgeführt, wobei dies erforderlich ist, um ein Rückschwingen des Basisbandsensors
Nachteilig bei dieser Herangehensweise ist, dass auf diese Weise nicht erkennbar ist, ob ein korrekter Innendruck innerhalb des mikromechanischen Basisbandsensors
Vorgeschlagen wird daher, dass das Vermessen der Masseelektrode
Erst danach wird in der Messphase
- t
- Zeit
- x
- Geometrische Auslenkung
- C1, C2
- Konstanten zur Skalierung
- β
- Rechengröße zusammengesetzt aus Eigenkreisfrequenz und Dämpfung („Systemdynamik“)
- ω0
- Eigenkreisfrequenz des ungedämpften Systems
- δ
- Abklingkonstante
- t
- Time
- x
- Geometric deflection
- C 1 , C 2
- Constants for scaling
- β
- Calculated variable composed of natural angular frequency and damping ("system dynamics")
- ω 0
- Natural angular frequency of the undamped system
- δ
- decay constant
Die Abklingkonstante δ ist ein Maß für die Dämpfung der Eigenkreisfrequenz des ungedämpften Systems. Damit kann durch die geeignete Dimensionierung der Nullkraftzeit TNK unter Verwendung der obigen Gleichungen (4), (5) mit t = TNK der Innendruck des mikromechanischen Basisbandsensors ermittelt werden.The decay constant δ is a measure of the damping of the natural angular frequency of the undamped system. Thus, by the appropriate dimensioning of the zero force time T NK using the above equations (4), (5) with t = T NK, the internal pressure of the micromechanical base band sensor can be determined.
Sowohl dynamische Eigenschaften als auch das Brown'sche Rauschen im Basisbandsensor werden maßgeblich durch den Innendruck des Basisbandsensors bestimmt.Both dynamic properties and Brownian noise in the baseband sensor are largely determined by the internal pressure of the baseband sensor.
Das vorgeschlagene Messverfahren erlaubt es, einen Selbsttest für den Basisbandsensor zu implementieren, der den Basisbandsensor hinsichtlich eines veränderten Innendrucks hin prüfen kann. Somit ist eine zuverlässige Funktionalität des Sensorbetriebs vorteilhaft unterstützt.The proposed measuring method makes it possible to implement a self-test for the baseband sensor which can check the baseband sensor for a changed internal pressure. Thus, reliable functionality of the sensor operation is advantageously supported.
Weiterhin ist dieses Verfahren dienlich für eine Identifikation von fehlerhaft produzierten MEMS im Rahmen einer End-Messung, in welcher die Teile kalibriert und auf ihre Funktion hin geprüft werden.Furthermore, this method is useful for identification of defective produced MEMS in a final measurement in which the parts are calibrated and tested for their function.
Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren von einem Anwender zu jeder beliebigen Zeit im Betrieb des Basisbandsensors initiiert werden, sodass der Anwender einen schnellen Überblick über die ordnungsgemäße Funktionalität des Basisbandsensors erhält. Dies ist insbesondere wichtig bei Anwendungen betreffen virtuelle Realität (engl. virtual reality), bei denen es erforderlich ist, dass der mikromechanische Beschleunigungssensor sehr schnell auf äußere Beschleunigungen reagiert.Advantageously, the proposed method can be initiated by a user at any time in the operation of the baseband sensor, giving the user a quick overview of the proper functionality of the baseband sensor. This is especially important in applications involving virtual reality, where the micromechanical acceleration sensor is required to respond very quickly to external accelerations.
Denkbar ist auch, das vorgeschlagene Messverfahren automatisiert während eines normalen Betriebs, periodisch in geeigneten Zeitabständen oder ausschließlich nach einem Systemstart des mikromechanischen Basisbandsensors
Vorteilhaft lässt sich das vorgeschlagene Verfahren sowohl per Hardware als auch per Software steuern.Advantageously, the proposed method can be controlled both by hardware and by software.
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Obwohl vorgehend das vorgeschlagene Verfahren ausschließlich im Zusammenhang mit einem kapazitiven mikromechanischen Beschleunigungssensor beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, dass das Verfahren auch für andere Arten von mikromechanischen Basisbandsensoren (d.h. Sensoren ohne interne mechanische Anregung), wie zum Beispiel Drucksensoren, kapazitive und resistive Sensoren verwendet werden kann, bei denen ein mikromechanisches Massenelement definiert ausgelenkt werden kann.Although the proposed method has been described above solely in connection with a capacitive micromechanical acceleration sensor, it goes without saying that the method also applies to other types of micromechanical baseband sensors (ie sensors without internal mechanical excitation), such as pressure sensors, capacitive and resistive sensors can be used, in which a micromechanical mass element can be deflected defined.
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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