DE102017220412A1

DE102017220412A1 - Mikromechanischer Inertialsensor

Info

Publication number: DE102017220412A1
Application number: DE102017220412.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-05-16
Also published as: US20190146003A1; CN109798972A

Abstract

Mikromechanischer Inertialsensor (100), aufweisend:
- eine an einem Substrat fixierte bewegliche seismische Masse (20a) mit kammartig ausgebildeten ersten Elektroden (20c);
- am Substrat fixierte zweite Elektroden (20d), wobei die Elektroden (20c, 20d) derart ausgebildet sind, dass bei nicht angelegter externer Beschleunigung ein Überlapp der ersten Elektroden (20c) mit den zweiten Elektroden (20d) in Sensierrichtung definiert gering ist und weniger als ca. 35% beträgt, bevorzugt weniger als ca. 25% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Inertialsensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors.
Stand der Technik
Mikromechanische xy-Inertialsensoren mit MEMS-Strukturen sind seit langem bekannt. Diese können eine in einer Funktionsschicht ausgebildete seismische Masse aufweisen, die über Federn am Substrat verankert ist. Die Auslenkung der Masse wird in der Regel über Elektroden, die als Plattenkondensatoren ausgeführt sind gemessen. Die Auslenkung ändert den Abstand der Platten des Kondensators und die daraus resultierende Änderung der Kapazität wird gemessen.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanischen Inertialsensor mit verbessertem Sensierverhalten bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Inertialsensor, aufweisend:

- eine an einem Substrat fixierte bewegliche seismische Masse mit kammartig ausgebildeten ersten Elektroden;
- am Substrat fixierte zweite Elektroden, wobei die Elektroden derart ausgebildet sind, dass bei nicht angelegter externer Beschleunigung eine Überlappung der ersten Elektroden mit den zweiten Elektroden in Sensierrichtung definiert gering ist und weniger als ca. 35% beträgt, bevorzugt weniger als ca. 25% beträgt.

Vorteilhaft kann mit Hilfe der kammförmigen Elektrodenstrukturen ein sehr gleichmäßiges lineares elektrisches Signal erzeugt werden. In einer Kammstruktur wird die Kapazitätsänderung pro Auslenkung durch den Kammabstand und die maximale Auslenkung durch die Kammlänge und den Kammüberlapp im Grundzustand definiert. In einer herkömmlichen Plattenkondensatoranordnung wird im Unterschied dazu sowohl die Kapazitätsänderung pro Auslenkung als auch die maximale Auslenkung durch den Plattenabstand definiert.
Vorteilhaft kann auf diese Weise auch eine weitgehende Unempfindlichkeit des Sensors gegenüber Verbiegungen des Substrats bereitgestellt werden.
In einer Plattenkondensator-Anordnung werden normalerweise zwei differentiell angeordneten, gleich große, feststehende Elektroden verwendet. Bei Auslenkung der seismischen Masse vergrößert sich der Abstand der Masse zur ersten Elektrode im gleichen Maße wie er sich zur zweiten Elektrode verringert. In der Ruhelage liegt die seismische Masse genau in der Mitte der beiden Elektroden. An den Elektroden liegt üblicherweise eine elektrische Auswertespannung an, die eine Kraft auf die seismische Masse ausübt. Durch die symmetrische Anordnung heben sich die Kräfte, die die beiden Elektroden auf die seismische Masse ausüben, gerade auf. Aufgrund der Nichtlinearität der Kräfte in einem Plattenkondensator mit dem Abstand wird mit einer Auslenkung der seismischen Masse das Kräftegleichgewicht gestört. Ab einem bestimmten Punkt reicht dann die Rückstellkraft der Federn nicht mehr aus und die seismische Masse wird ganz auf die feststehende Elektrode gezogen. Es kommt zu einem Kollaps und die seismische Masse wird dabei stark beschleunigt und trifft mit großer Geschwindigkeit entweder auf die feststehende Elektrode oder auf ein speziell dafür vorgesehene Stoppstruktur.
Demgegenüber ist die Kraft in einer Kammstruktur vorteilhaft unabhängig von der Auslenkung. Vorteilhaft kann auf diese Weise auch eine weitgehende Unempfindlichkeit des mikromechanischen Inertialsensors gegenüber der elektrischen Auswertespannung bereitgestellt werden.
Weiterhin kann auf diese Weise vorteilhaft ein Anschlagen mit hoher Geschwindigkeit, verursacht durch die anliegende elektrische Spannung auf der feststehenden Elektrode oder auf einer speziell dafür vorgesehenen Stoppstruktur verhindert werden.
In einer Plattenkondensator-Anordnung ist die Kapazität in Grundzustand durch den Plattenanstand bestimmt. Die Kapazitätsänderung pro Auslenkung ist ebenfalls durch den Plattenanstand bestimmt. In einer Kammanordnung ist die Kapazität im Grundzustand durch den Fingerabstand und durch den Fingerüberlapp im Grundzustand bestimmt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen einer an einem Substrat fixierten beweglichen seismischen Masse mit kammartig ausgebildeten ersten Elektroden;
- Bereitstellen von am Substrat fixierten zweiten Elektroden, wobei die Elektroden derart ausgebildet werden, dass bei nicht angelegter externer Beschleunigung eine Überlappung der ersten Elektroden mit den zweiten Elektroden in Sensierrichtung definiert gering ist und weniger als ca. 35% beträgt, bevorzugt weniger als ca. 25% beträgt.

Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Inertialsensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass bei maximaler negativer Beschleunigung bezüglich eines Messbereichs des Inertialsensors die Überlappungen der ersten Elektroden mit den zweiten Elektroden in Sensierrichtung derart sind, dass Endabschnitte der ersten Elektroden und der zweiten Elektroden definiert gering überlappen oder voneinander geringer als ein Abstand zwischen den Endabschnitten der ersten und zweiten Elektroden beabstandet sind.
Auf diese Weise wird für den gesamten Messbereich eine große elektrische Empfindlichkeit des Sensors ermöglicht. Bei negativen Beschleunigungen, die über den Messbereich des Sensors hinausgehen, können die Elektroden vollständig „auseinander austauchen“. Vorteilhaft wird dadurch eine Auslenkung der Kammelektroden in die Gegenrichtung ermöglicht, die weiter ist, als es der maximalen Messbeschleunigung entspricht, wodurch Chipfläche gespart werden kann und gleichzeitig auch in dieser Kammstruktur eine hohe Kapazitätsänderung pro Auslenkung bei geringer Grundkapazität in dieser Kammstruktur ermöglicht ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Abschnitt der ersten und/oder der zweiten Elektroden nicht parallel zur Sensierrichtung ausgebildet ist und dass der nicht parallel zur Sensierrichtung ausgebildete Abschnitt die Bewegung der ersten und/oder der zweiten Elektroden in Sensierrichtung mechanisch nicht einschränkt.
Dadurch ist unterstützt, dass bei Bewegung in Sensierrichtung ein Abstand zwischen erster und zweiter Elektrode variiert, wodurch eine erhöhte Empfindlichkeit des mikromechanischen Inertialsensors unterstützt ist. Dabei ist die nicht parallele Anordnung derart ausgeführt, dass die Elektroden geometrisch weiterhin voll ineinander eintauchen können oder zumindest so weit, wie die Überlappung im Grundzustand ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der zweiten Elektroden derart ausgebildet ist, dass eine Breite der zweiten Elektroden in Sensierrichtung nach einem Sensierbereich gleichbleibend breit oder sich verbreiternd ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine hohe Sensierempfindlichkeit des mikromechanischen Sensors unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die seismische Masse mit Federelementen am Substrat angebunden ist, wobei die Federelemente derart ausgebildet sind, dass eine Federsteifigkeit in Sensierrichtung definiert weich und orthogonal zur Sensierrichtung definiert hart ausgebildet sind. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Empfindlichkeit des Sensors vorwiegend in Sensierrichtung bereitgestellt werden, wohingegen der Sensor orthogonal zur Sensierrichtung weitgehend unempfindlich ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Teil der ersten oder der zweiten Elektrode im einem Bereich der Überlappung im Grundzustand derart ausgebildet ist, dass sich der Abstand zwischen den Elektroden in einem Teilbereich verringert, wenn die Elektroden in Sensierrichtung ineinander eintauchen. Auch auf diese Weise ist eine hohe Sensierempfindlichkeit des mikromechanischen Inertialsensors unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Teil der ersten oder der zweiten Elektroden in einem Bereich außerhalb der Überlappung im Grundzustand derart ausgebildet ist, dass sich der Abstand zwischen den Elektroden in einem Teilbereich vergrößert, wenn die Elektroden in Sensierrichtung ineinander eintauchen. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, die elektrische Kraft bei starken Auslenkungen, bevor die Elektroden mechanisch anschlagen, zu reduzieren.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass Stopperelemente vorgesehen sind, wobei mittels der Stopperelemente eine Eintauchtiefe der zweiten Elektroden in die ersten Elektroden begrenzbar ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft unterstützt, dass die Elektroden nicht gegeneinander anschlagen, sondern kurz vor dem Anschlagen gestoppt werden. Eine verbesserte Sensiercharakteristik und eine erhöhte Betriebsdauer des Inertialsensors sind auf diese Weise vorteilhaft unterstützt. Die Anschlagsstrukturen können vorteilhafterweise ein elektrisches Potential aufweisen, welches mit dem elektrischen Potential der beweglichen Kammstruktur übereinstimmt, um Kurzschlüsse und ein Halten der Struktur im Anschlag zu verhindern.
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 notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend den mikromechanischen Inertialsensor ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:

1 eine Querschnittsansicht eines konventionellen mikromechanischen Inertialsensors;
2 eine Draufsicht auf einen konventionellen mikromechanischen Inertialsensor;
3 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors;
4 Draufsichten auf Elektrodenanordnung einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors;
5 Draufsichten auf Elektrodenanordnung einer weiteren Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors;
6 Draufsichten auf Elektrodenanordnung einer weiteren Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors; und
7 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanischen Inertialsensors mit verbesserter Sensiercharakteristik bereitzustellen.
1 zeigt eine stark vereinfachte Querschnittsansicht eines konventionellen mikromechanischen Inertialsensors 100. Man erkennt eine bewegliche MEMS-Struktur bzw. seismische Masse 20a, die aus einer dicken mikromechanischen zweiten Funktionsschicht 20 aus Polysilizium herausgeätzt werden. Diese werden über einer dünnen vergrabenen ersten Funktionsschicht 12 aus Polysilizium angeordnet, wobei diese ihrerseits mit einer Oxidschicht 11 auf einem Substrat 10 verankert sind. Auch zwischen den beiden Funktionsschichten 12, 20 ist eine Oxidschicht vorgesehen.
Die vergrabene erste Funktionsschicht 12 aus Polysilizium dient dabei als elektrische Leiterbahn und/oder als Elektrode. Die zweite mikromechanische Funktionsschicht 20 wird über einen Trenchprozess und ein Oxid-Opferschichtverfahren freigestellt. Die vergrabene erste Funktionsschicht 12 ist über ein Oxid 11 elektrisch vom Substrat 10 getrennt. Die Leiterbahnen und Elektroden sind derart breit ausgelegt, dass sie im Oxid-Opferoxidätzschrit nicht vollständig unterätzt sind und auf diese Weise stabil am Substrat 10 verankert sind.
Die derart hergestellte bewegliche seismische Masse 20a wird meist in der weiteren Prozessfolge mit einem Kappenwafer 40 versiegelt. Je nach Anwendung wird innerhalb des dadurch verschlossenen Volumens 50 ein geeigneter Innendruck eingeschlossen, wobei der Verschluss meist über ein Seal-Glas-Bondverfahren oder über ein eutektisches Bondverfahren, z.B. mit AIGe erfolgt.
Wird ein Beschleunigungssensor hergestellt, so wird die seismische Masse 20a meisten in der zweiten Funktionsschicht 20 erzeugt, die über Federelemente 20b und Anbindungselemente 21, die meist ebenfalls in Funktionsschicht erzeugt wird, am Substrat 10 fixiert wird, wie in der Draufsicht von 2 dargestellt. Um die Auslenkung der freistehenden Masse bei einer extern anliegenden Beschleunigung messen zu können, wird meistens die Kapazitätsänderung zwischen an der seismischen Masse 20a angebrachter Elektrodenflächen und am Substrat 10 fest verankerten Elektrodenflächen detektiert.
Um ein möglichst großes elektrisches Signal zu bekommen, sind die Elektroden 20d dazu derart angeordnet, dass sich bei einer extern anliegenden Beschleunigung der Abstand zwischen den Elektroden und der seismischen Masse 20a ändert. Elektrische Leitungen 22, die in der vergrabenen Polysiliziumschicht angeordnet sind, sind zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden 20d vorgesehen.
Nachteilig an dieser Anordnung kann sein, dass man damit aufgrund einer Abhängigkeit der Kapazität eines Plattenkondensators zum Reziprokwert des Plattenabstands ein stark nichtlineares elektrisches Signal erhält.
Weiterhin nachteilig kann sein, dass man relativ geringe Elektrodenabstände benötigt, um ein großes elektrisches Signal zu erhalten. Verbiegungen des Substrats durch Einflüsse von außen können die Elektrodenabstände minimal verändern und führen als Konsequenz zu großen, unerwünschten elektrischen Fehlsignalen.
Ferner haben derartige Sensoren in der Regel eine große Klebeneigung, die systembedingt nicht vermieden werden kann, wie im Folgenden ausgeführt wird.
Das Detektionsprinzip führt dazu, dass die Bewegungsfreiheit der seismischen Masse 20a durch die feststehenden Elektroden 20d eingeschränkt ist. Die seismische Masse 20a wird an möglichst weichen Federelementen 20b aufgehängt, um einen empfindlichen Sensor zu erhalten. Nachteilig dabei ist, dass die seismische Masse 20a schon bei geringen Überlasten an den feststehenden Elektroden 20d anschlagen kann und auf diese Weise ein elektrischer Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden 20d entstehen kann. Je nach verwendeter elektronischer Auswerteschaltung kann es dann zu einer Zerstörung der elektronischen Auswerteschaltung kommen oder auch zu einem Festschweißen der Elektroden 20d aneinander. Deshalb wird die Bewegungsfreiheit meist durch eine weitere feststehende Struktur, die auf dem gleichen elektrischen Potential liegt, wie die bewegliche Struktur, noch weiter eingeschränkt, um den oben beschriebenen Effekt zu vermeiden.
Die sehr eingeschränkten Bewegungsfreiheit führt in Kombination mit der Forderung nach einer weichen Aufhängung, um hohe Empfindlichkeiten zu bekommen, dazu, dass die mechanischen Rückstellkräfte der seismischen Masse 20a, wenn sich diese im Anschlag befindet, sehr gering sind und es schon allein durch die Van-der-Waals-Kräfte dazu kommen kann, dass die seismische Masse 20a am Anschlag kleben bleibt. Es gibt sehr viele Ansätze, und dieses Klebeverhalten zu reduzieren, wobei die geringen Rückstellkräfte aber nicht erhöht werden können.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors 100. Erkennbar ist, dass zu einer Detektion der Auslenkung der beweglichen seismischen Masse 20a ineinandergreifende Kammstrukturen der Elektroden 20c, 20d vorgesehen sind. Kammstrukturen als kapazitive Detektionsstrukturen sind aus anderen Bereichen bereits bekannt, können aber bisher die vorgenannten Hauptforderungen der hohen Empfindlichkeit nicht erfüllen. Um dies zu ermöglichen und gleichzeitig die anderen Vorteile der Kammstrukturen nicht zu verlieren, werden nachfolgend beschriebene Modifikationen vorgeschlagen.
Zunächst ist vorgesehen, dass eine Grundüberlappung bzw. ein Sensierbereich L der Kammstrukturen geringer ausgebildet ist als eine maximale, mechanisch mögliche Auslenkung der Kammstrukturen. Dies ist prinzipiell in 4 dargestellt, die in drei Ansichten a), b) und c) verschiedene Stadien einer Kammstruktur der Elektroden 20c, 20d darstellen. Erkennbar ist eine zweite, feststehende kammförmige Elektrode 20d, die mit der ersten, beweglichen fingerförmigen Elektrode 20c funktional zusammenwirkt.
In 5a ist erkennbar, dass bei einer unausgelenkten Grundposition eine Eindringtiefe der ersten Elektrode 20c in die zweite Elektrode 20d weniger als 35 %, bevorzugt weniger als 25% der gesamten Längsausdehnung der Elektroden 20c, 20d beträgt. 5b zeigt eine Stellung der Elektroden 20c, 20d aufgrund einer maximalen negativen Beschleunigung, wobei auf diese Weise die erste Elektrode 20c vollständig außerhalb der zweiten Elektrode 20d angeordnet sein kann. 5c zeigt ein Resultat einer maximalen positiven Beschleunigung bezüglich eines Messbereichs, insbesondere eines linearen Messbereichs des Sensors. 5e zeigt ein Resultat einer maximalen positiven Beschleunigung, wobei man erkennt, dass die Auslenkung weit über den Messbereich hinausgeht.
5 zeigt weiterhin, dass auch die Breite der Kammfinger der Elektroden 20c, 20d über die Fingerhöhe variiert werden kann. Insbesondere können die Finger der ersten Elektrode 20c derart ausgebildet sein, dass die Breite zwischen der Fingerspitze eines Mittelbereichs des Fingers und der zweiten Elektrode 20d beim Eindringen der zweiten Elektrode 20d in die erste Elektrode 20c abnimmt, sodass im Ergebnis während des Eintauchens der ersten Elektrode 20c in die zweite Elektrode eine Spaltbreite d zwischen den Elektroden 20c, 20d variiert. Dabei kann die Zunahme der Breite der ersten Elektrode 20c derart gering gewählt sein, dass die Finger noch über den vorgesehenen Messbereich hinaus weiter in den Gegenkamm der zweiten Elektrode 20d auslenken können, wie es in den 5d und 5e prinzipiell dargestellt ist.
Vorgeschlagen wird ferner, insbesondere in Detektionsrichtung des Sensors, z.B. in x-Richtung, deutlich weichere Strukturen als bisher zu verwenden und gleichzeitig in den dazu senkrechten Richtungen, d.h. z.B. in y-Richtung die seismische Masse 20a mit den ersten Elektroden 20c deutlich härter aufzuhängen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Kammstrukturen der Elektroden 20c, 20d derart ausgebildet werden, dass sie bei einer von außen anliegenden Beschleunigung, die dem maximalen Messbereich entspricht, noch nicht mechanisch anschlagen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, wie in 5 dargestellt, dass der Finger der beweglichen ersten Elektrode 20c im hinteren Bereich überwiegend gleich breit oder schmäler als die maximale Breite des Fingers der Elektrode 20c im vorderen Bereich ausgebildet ist.
Vorteilhaft kann durch einen geringen Fingerüberlapp bei einer geringen Grundkapazität, wie in 5a dargestellt, eine hohe Kapazitätsänderung pro Auslenkung erzielt werden. Damit sind vorteilhat sehr rauscharme elektronische Auswerteschaltungen verwendbar.
Weiterhin kann durch einen geringen Fingerüberlapp vorteilhaft erreicht werden, dass das volle maximale Messsignal, wie in 5c dargestellt, schon erreicht wird, bevor die Fingerstruktur der Elektrode 20c voll in die Kammstruktur der Elektrode 20d eintaucht. Dies bedeutet, dass bei Beschleunigungen, die über das volle Messsignal hinausgehen, die Fingerstruktur der Elektrode 20c eine noch weitere Eintauchbewegung durchführen kann, wie in den 5d, 5e angedeutet. Ein Anschlagen der Fingerstruktur der Elektrode 20c findet nur bei Beschleunigungen statt, die wesentlich höher sind als die maximale Messbeschleunigung. Die Rückstellkräfte im Anschlag sind damit viel größer und ein Verkleben im Anschlag kann damit vorteilhaft verhindert werden.
6 zeigt weitere mögliche Konfigurationen der Kammelektroden 20c, 20d. Im Unterschied zur Konfiguration von 5 ist in diesem Fall der vorderste Bereich des Sensierbereichs L der Elektrode 20d in Detektionsrichtung parallel zur Sensierrichtung ausgebildet, wobei nach dem Sensierbereich L eine Aufweitung innerhalb der zweiten Elektrode 20d erkennbar ist.
In weiteren, nicht dargestellten Varianten der Elektroden 20c, 20d kann auch vorgesehen sein, dass lediglich die erste Elektrode 20c oder nur die zweite Elektrode 20d aufweitende und verengende Abschnitte aufweist.
Aufgrund dieser vorgehend erläuterten spezifischen Formen der Kammelektroden 20c, 20d ergeben sich folgende Vorteile:
Normale Kammstrukturen haben eine große Grundkapazität und eine kleine Kapazitätsänderung. Die vorgeschlagene Anordnung hat demgegenüber eine hohe Empfindlichkeit, die sich folgendermaßen begründen lässt:

- Die Grundkapazität wird durch den geringeren Grundüberlapp der Elektroden 20c, 20d reduziert
- Die Kapazitätsänderung wird durch die Änderung der Fingerbreite erhöht. Bei Eintauchen der Elektroden 20c, 20d ineinander wird nicht nur die überlappende Fläche der Elektroden 20c, 20d erhöht, sondern es wird wie bei klassischen Sensoren auch der Abstand zwischen den Elektroden aufgrund der Fingerform reduziert
- Die Kammstrukturen können aufgrund der weicheren Aufhängung der beweglichen seismischen Masse 20a tiefer ineinander eintauchen
- Die neuen Kammstrukturen sind aufgrund des gemischten Effekts von Flächenänderung und Abstandsänderung deutlich linearer im elektrischen Ausgangssignal als herkömmliche Sensoren. Insbesondere ist es mit ihnen möglich, die Empfindlichkeitskennlinie durch die Form der Finger einzustellen. Man kann damit zum Beispiel eine möglichst lineare Kennlinie erzeugen. Man kann aber auch Kennlinien erzeugen, die bei hohen Beschleunigungen unempfindlicher werden, um auf diese Weise einen größeren Messbereich abdecken zu können. Um dies zu erreichen, kann man insbesondere die Finger auch nach hinten wieder verjüngen. Konventionelle Sensoren verhalten sich gerade umgekehrt. Die Abweichung von der Linearität führt bei ihnen dazu, dass sie gerade bei interessanten kleinen Beschleunigungen kleinere Signale liefern und bei großen Beschleunigungssignalen ein zu großes Signal liefern.

Die Kammstrukturen der Elektroden 20c, 20d können so ausgelegt werden, dass die ersten Elektroden 20c über den maximalen Sensierbereich L hinaus in die zweiten Elektroden 20d eintauchen können. Auf diese Weise kann die Rückstellkraft allein durch die Geometrie eingestellt und entsprechend hoch ausgelegt werden.
Mechanische Anschlags- bzw. Stopperelemente (nicht in Figuren dargestellt), die ein Anschlagen und damit einen Kurzschluss zwischen den Elektroden 20c, 20d verhindern, können so ausgelegt werden, dass sie die maximale mechanische Auslenkung der ersten Elektroden 20c nur unwesentlich reduzieren. Die mechanischen Anschläge können dabei als Stopperelemente ausgebildet sein, die ein ca. 90%-iges Eintauchen der ersten Elektroden 20c in die zweiten Elektroden 20d ermöglichen. In herkömmlichen Sensoren werden die genannten Anschläge typischerweise derart ausgelegt, dass sie bereits schon nach ca. zwei Drittel der Elektrodenlänge wirksam werden, was eine deutliche Einschränkung der Bewegungsfreiheit bedeutet, die bei konventionellen Sensoren auch notwendig ist.
Um die Kapazität zu messen, muss eine elektrische Spannung an die Elektroden 20c, 20d angelegt werden, wobei eine Rückstellkraft der beweglichen seismischen Masse 20a linear mit der Auslenkung zunimmt. Die Kraft zwischen den Elektroden 20c, 20d ist extrem nichtlinear und führt deshalb bei kleinen elektrischen Spannungen zum sogenannten Snap-In-Effekt, der eine hohe Anziehungskraft bewirkt und ein Anschlagen der Elektroden 20c, 20d resultiert.
Bei konventionellen Kammelektronen haben beide Kräfte ein lineares Verhalten, weswegen es zu keinem Snap-In-Effekt kommt. Um diesen Effekt zu erreichen, ist es günstig, Formen der Elektroden vorzusehen, die sich nach hinten wieder verjüngen oder zumindest nicht breiter werden.
Die mit der Erfindung vorgeschlagenen Kammstrukturen der Elektroden 20c, 20d sind hingegen vorteilhaft unempfindlich gegenüber kleinen Verbiegungen des Substrats. Die bewegliche seismische Masse 20a wird mittels Federelementen 20b in Detektionsrichtung weicher aufgehängt und lenkt sich in diese Richtung stärker aus. Ein Fehlsignal, welches durch eine kleine Verschiebung der Elektroden verursacht wird, generiert ein entsprechend geringeres Fehlsignal.
Vorteilhaft ist es also möglich, wie anhand der 5, 6 erkennbar, dass die Formen der ersten Elektroden 20c und der zweiten Elektroden 20d nicht identisch sein müssen. Wie in 6 gezeigt, kann es günstig sein, für die Elektroden 20c, 20d auch unterschiedliche Formen vorzusehen. Als Beispiel sei eine Anordnung genannt, die bei kleinen Beschleunigungen ein sehr empfindliches Signal liefern soll und bei großen Beschleunigungen ein nichtlineares, unempfindlicheres Signal liefern soll, um einen möglichst großen Messbereich abzudecken. In diesem Fall kann es günstig sein, dass nur eine der beiden Kammelektroden 20c, 20d eine Form hat, deren Breite von der Spitze zur Mitte hin größer wird, während die zweite Kammelektrode auch eine Form haben kann, deren Breite sich nicht ändert oder der Breite sogar abnimmt. Man erkennt, dass vielfältige, nicht in Figuren dargestellte Formgebungen für die Elektroden 20c, 20d möglich sind.
Die Anordnung ist nicht beschränkt auf Elektrodenpaare, bei denen eine der beiden Elektroden 20c, 20d am Substrat fixiert ist. Wichtig ist lediglich, dass die Elektroden bei einer anliegenden Beschleunigung den Abstand zueinander ändern.
Die Anordnung ist nicht beschränkt auf Anwendungen, bei denen eine externe Beschleunigung gemessen wird, auch können mit dieser Anordnung zum Beispiel in einem Drehratensensor Coriolis-Beschleunigungen gemessen werden.
7 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors 100.
In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen einer an einem Substrat fixierten beweglichen seismischen Masse 20a mit kammartig ausgebildeten ersten Elektroden 20c durchgeführt.
In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen von am Substrat fixierten zweiten Elektroden 20d durchgeführt, wobei die Elektroden 20c, 20d derart ausgebildet werden, dass bei nicht angelegter externer Beschleunigung eine Überlappung L der ersten Elektroden 20c mit den zweiten Elektroden 20d in Sensierrichtung definiert gering ist und weniger als ca. 35% beträgt, bevorzugt weniger als ca. 25% beträgt.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Mikromechanischer Inertialsensor (100), aufweisend: - eine an einem Substrat fixierte bewegliche seismische Masse (20a) mit kammartig ausgebildeten ersten Elektroden (20c); - am Substrat fixierte zweite Elektroden (20d), wobei die Elektroden (20c, 20d) derart ausgebildet sind, dass bei nicht angelegter externer Beschleunigung eine Überlappung (L) der ersten Elektroden (20c) mit den zweiten Elektroden (20d) in Sensierrichtung definiert gering ist und weniger als ca. 35% beträgt, bevorzugt weniger als ca. 25% beträgt.
Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei maximaler negativer Beschleunigung bezüglich eines Messbereichs des Inertialsensors (100) die Überlappungen (L) der ersten Elektroden (20c) mit den zweiten Elektroden (20d) in Sensierrichtung derart sind, dass Endabschnitte der ersten Elektroden und der zweiten Elektroden definiert gering überlappen oder voneinander geringer als ein Abstand (d) zwischen den Endabschnitten der ersten und zweiten Elektroden (20c, 20d) beabstandet sind.
Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt der ersten und/oder der zweiten Elektroden (20c, 20d) nicht parallel zur Sensierrichtung ausgebildet ist und dass der nicht parallel zur Sensierrichtung ausgebildete Abschnitt die Bewegung der ersten und/oder der zweiten Elektroden (20c, 20d) in Sensierrichtung mechanisch nicht einschränkt.
Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der zweiten Elektrode (20d) derart ausgebildet ist, dass eine Breite der zweiten Elektroden (20d) in Sensierrichtung nach einem Sensierbereich gleichbleibend breit oder sich verbreiternd ausgebildet ist.
Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse mit Federelementen am Substrat angebunden ist, wobei die Federelemente derart ausgebildet sind, dass eine Federsteifigkeit in Sensierrichtung definiert weich und orthogonal zur Sensierrichtung definiert hart ausgebildet sind.
Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der ersten oder der zweiten Elektrode in einem Bereich der Überlappung (L) im Grundzustand derart ausgebildet ist, dass sich der Abstand zwischen den Elektroden (20c, 20d) in einem Teilbereich verringert, wenn die Elektroden in Sensierrichtung ineinander eintauchen.
Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der ersten oder der zweiten Elektroden in einem Bereich außerhalb der Überlappung (L) im Grundzustand derart ausgebildet ist, dass sich der Abstand zwischen den Elektroden (20c, 20d) in einem Teilbereich vergrößert, wenn die Elektroden in Sensierrichtung ineinander eintauchen.
Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stopperelemente vorgesehen sind, wobei mittels der Stopperelemente eine Eintauchtiefe der zweiten Elektroden (20d) in die ersten Elektroden (20c) begrenzbar ist.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen einer an einem Substrat fixierten beweglichen seismischen Masse (20a) mit kammartig ausgebildeten ersten Elektroden (20c); - Bereitstellen von am Substrat fixierten zweiten Elektroden (20d), wobei die Elektroden (20c, 20d) derart ausgebildet werden, dass bei nicht angelegter externer Beschleunigung eine Überlappung (L) der ersten Elektroden (20c) mit den zweiten Elektroden (20d) in Sensierrichtung definiert gering ist und weniger als ca. 35% beträgt, bevorzugt weniger als ca. 25% beträgt.