DE102018118583B4 - Integrierte Linear- und Winkel-MEMS-Beschleunigungsmesser - Google Patents

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Abstract

Winkel-und-Linear-Beschleunigungsmesser, der aufweist:- mindestens einen Anker (503), der mit einem Substrat (501) verbunden ist;- eine Prüfmasse (200), die über mehrere Anbindungselemente (232) mit dem mindestens einen Anker (503) verbunden ist;- einen ersten Kondensator (CAz), der dazu ausgebildet ist, als Antwort auf eine Drehbewegung der Prüfmasse (200) ein erstes Erfassungssignal zu erzeugen;- einen zweiten Kondensator (CLz), der dazu ausgebildet ist, als Antwort auf eine lineare Bewegung der Prüfmasse (200) ein zweites Erfassungssignal zu erzeugen, und- einen Referenzbalken (236), der über eine feste Struktur (235) mit dem Substrat (501) verbunden ist, und einen Referenzkondensator (Cref), der aus einer Referenzelektrode (702), die auf dem Substrat (501) angeordnet ist, und dem Referenzbalken (236) gebildet ist,wobei der zweite Kondensator (CLz) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Prüfmasse (200) aus einer Ebene (xy) der Oberfläche der Prüfmasse (200) heraus als Antwort auf eine lineare Beschleunigung zu erfassen, undwobei der zweite Kondensator (CLz) aus einer Elektrode (700), die auf dem Substrat (501) angeordnet ist, und einem Abschnitt der Prüfmasse (200) ausgebildet ist.

Description

  • Gebiet der Offenbarung
  • Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Beschleunigungsmesser mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Beschleunigungsmesser).
  • Hintergrund
  • MEMS-Beschleunigungsmesser weisen eine oder mehrere Prüfmassen zum Detektieren einer Beschleunigung auf. Zum Beispiel weisen einige MEMS-Beschleunigungsmesser eine Prüfmasse auf, die dazu ausgebildet ist, sich in einer Ebene zu bewegen, um eine Beschleunigung in der Ebene der Prüfmasse zu detektieren, während andere MEMS-Beschleunigungsmesser eine Prüfmasse aufweisen, die dazu ausgebildet ist, sich aus der Ebene heraus zu bewegen, um eine Beschleunigung senkrecht zu der Ebene der Prüfmasse zu detektieren. Die Beschleunigung kann mittels kapazitiver Sensoren, die mit der Prüfmasse gekoppelt sind, detektiert werden.
  • WO 2012 / 037 538 A2 betrifft ein Trägheitsmesssystem mit sechs Freiheitsgraden, das einen einzelnen Sechs-Achsen-Trägheitssensor mit Prüfmasse aufweist, der in einer x-y-Ebene ausgebildet ist, wobei der Trägheitssensor einen mit einem einzelnen zentralen Anker aufgehängten Hauptprüfmassenabschnitt enthält, wobei der Hauptprüfmassenabschnitt einen radialen Abschnitt umfasst, der sich nach außen zum Rand des Trägheitssensors erstreckt, ein zentrales Aufhängungssystem, das zum Aufhängen des Sechs-Achsen-Trägheitssensors am einzelnen zentralen Anker konfiguriert ist, und eine Antriebselektrode einschließlich eines beweglichen Abschnitts und eines stationären Abschnitts, wobei der bewegliche Abschnitt mit dem radialen Abschnitt gekoppelt ist, wobei die Antriebselektrode und das zentrale Aufhängungssystem so konfiguriert sind, dass sie den Sechs-Achsen-Trägheitssensor um eine Z-Achse normal zur x-y-Ebene schwingen lassen.
  • US 2017 / 0 328 931 A1 betrifft Winkelbeschleunigungsmesser und Systeme, die solche Beschleunigungsmesser verwenden. Die Winkelbeschleunigungsmesser können eine Prüfmasse und auf den Mittelpunkt der Prüfmasse gerichtete Drehbeschleunigungs-Erfassungsstrahlen umfassen. Die Winkelbeschleunigungsmesser können Erfassungsmöglichkeiten für Winkelbeschleunigungen um drei orthogonale Achsen umfassen. Die Messbereiche für die Winkelbeschleunigung um eine der drei Achsen können radial näher am Zentrum der Prüfmasse angeordnet sein als die Messbereiche für die Winkelbeschleunigung um die beiden anderen Achsen. Die Prüfmasse kann über eine oder mehrere Verankerungen mit dem Substrat verbunden sein.
  • US 2013 / 0 008 251 A1 betrifft eine integrierte mikroelektromechanische Struktur mit einer Antriebsmasse, die über elastische Verankerungselemente an einem Substrat verankert und so ausgelegt ist, dass sie in einer Ebene mit einer Antriebsbewegung betätigt werden kann; und einer ersten Erfassungsmasse und einer zweiten Erfassungsmasse, die in der Antriebsmasse aufgehängt und über jeweilige elastische Stützelemente mit ihr gekoppelt sind, um in der Antriebsbewegung in Bezug auf sie fixiert zu sein und als Reaktion auf eine Winkelgeschwindigkeit eine jeweilige Erfassungsbewegung durchzuführen. Insbesondere sind die erste und die zweite Sensormasse über elastische Kopplungselemente miteinander verbunden, die so konfiguriert sind, dass sie ihre Schwingungsmoden koppeln.
  • Zusammenfassung der Offenbarung
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird ein Winkel-und-Linear-Beschleunigungsmesser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird ein Verfahren zum Erfassen der Winkel- und Linearbeschleunigung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 bereitgestellt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anwendung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Elemente, die in mehreren Figuren erscheinen, sind in allen Figuren, in denen sie erscheinen, mit demselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
    • 1 stellt schematisch einen MEMS-Beschleunigungsmesser zum Erfassen der Winkel-und Linearbeschleunigung gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
    • 2 stellt schematisch einen repräsentativen MEMS-Beschleunigungsmesser zum Erfassen einer Winkel- und Linearbeschleunigung mit einer einzelnen Prüfmasse gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
    • 3 ist eine Draufsicht auf ein Winkel-z-Erfassungselement, das einen Balken aufweist, dessen eines Ende an einem Innenrand einer Prüfmasse fixiert ist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
    • 4 zeigt ein Beispiel von zwei Differenzsignalen, die durch ein Winkel-z-Erfassungselement erzeugt werden, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
    • 5A ist die Seitenansicht in einer yz-Ebene eines Winkel-Beschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse, einen Anker und x-Erfassungselektroden aufweist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
    • 5B ist die Seitenansicht in einer xz-Ebene eines Winkel-Beschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse, einen Anker und y-Erfassungselektroden aufweist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
    • 5C ist eine Draufsicht auf einen Winkel-Beschleunigungsmesser, der x-Erfassungselektroden, y-Erfassungselektroden und z-Erfassungselektroden aufweist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
    • 5D ist eine Draufsicht, die einen Abschnitt eines Winkel-Beschleunigungsmessers mit mehreren Ankern gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
    • 6A ist eine Draufsicht, die schematisch ein asymmetrisches Anbindungselement gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt.
    • 6B ist eine Draufsicht, die schematisch ein symmetrisches Anbindungselement gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt.
    • 7A ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie AA von 2 gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
    • 7B ist eine Seitenansicht des MEMS-Beschleunigungsmessers von 2 bei Anwesenheit einer linearen z-Achsenbeschleunigung gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen.
    • 8A ist eine Draufsicht auf ein lineares y-Erfassungselement gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
    • 8B ist eine Draufsicht auf ein lineares x-Erfassungselement gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
    • 9 zeigt schematisch einen repräsentativen MEMS-Beschleunigungsmesser mit einer Prüfmasse und mehreren Schiffchenmassen gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen.
    • 10A ist eine Draufsicht, die einen Abschnitt des MEMS-Beschleunigungsmessers von 9 bei Anwesenheit einer linearen x-Achsenbeschleunigung gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
    • 10B ist eine Draufsicht, die einen Abschnitt des MEMS-Beschleunigungsmessers von 9 bei Anwesenheit einer linearen y-Achsenbeschleunigung gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
    • 11 zeigt ein Anbindungselement zum elastischen Koppeln einer Schiffchenmasse mit einer Prüfmasse eines MEMS-Beschleunigungsmessers gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen.
    • 12 ist eine Seitenansicht eines Abschnitts des MEMS-Beschleunigungsmessers von 9, die ein Linear-z-Erfassungselement gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
    • 13 ist eine Seitenansicht eines Abschnitts des MEMS-Beschleunigungsmessers von 9, die ein Winkel-y-Erfassungselement gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
    • 14 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt des MEMS-Beschleunigungsmessers von 9, die ein Winkel-z-Erfassungselement gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
    • 15 ist ein Blockdiagramm eines Systems, das Winkel-Beschleunigungsmesser der hier beschriebenen Art enthält, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen.
    • 16 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug, das das System von 15 enthält, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen.
    • 17 zeigt einen Katheter, der ein System aufweist, das dazu ausgebildet ist, eine Winkel-und Linearbeschleunigung zu messen, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen.
  • Genaue Beschreibung
  • Der Anmelder hat erkannt, dass die Detektion der Linear- und Winkelbeschleunigung unter Verwendung einer einzelnen Mikroelektromechaniksystem-Vorrichtung (MEMS-Vorrichtung) durchgeführt werden kann, die beispielsweise als Beschleunigungsmesser mit einer einzelnen Prüfmasse oder mehreren elastisch miteinander verbundenen Massen implementiert sein kann. Verglichen mit herkömmlichen Systemen, bei denen der Winkel-Beschleunigungsmesser und der Linear-Beschleunigungsmesser getrennte Vorrichtungen bilden, sind MEMS-Beschleunigungsmesser der hierin beschriebenen Typen kompakter und ermöglichen daher eine wesentliche Verringerung des Platzbedarfs (z. B. des auf einem Substrat verwendeten Platzes) und der Kosten.
  • MEMS-Beschleunigungsmesser der hierin beschriebenen Typen können in einer Vielzahl von Systemen verwendet werden, in denen eine Winkelbeschleunigung und eine Linearbeschleunigung oder deren Fehlen detektiert werden soll. Vorrichtungen, die diese MEMS-Beschleunigungsmesser enthalten, können in einem Internet-der-Dinge-Netz (loT-Netz) verwendet werden. Zum Beispiel können am Körper tragbare Vorrichtungen einschließlich Fitnesssensoren und Gesundheitsüberwachungsvorrichtungen, industrielle Ausrüstung und Diagnosewerkzeuge, militärische Ausrüstung und Gesundheitsüberwachungsausrüstung Beschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen einsetzen.
  • Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Anmeldung kann ein MEMS-Beschleunigungsmesser eine einzelne Vorrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, eine Winkelbeschleunigung um eine, zwei oder drei Achsen und eine Linearbeschleunigung um eine, zwei oder drei Achsen zu detektieren. 1 zeigt schematisch einen MEMS-Beschleunigungsmesser 101, der dazu ausgebildet ist, eine Winkelbeschleunigung um die x-Achse, die y-Achse und/oder die z-Achse und eine lineare Beschleunigung in Richtungen parallel zu der x-Achse, der y-Achse und/oder der z-Achse zu detektieren. Somit kann der MEMS-Beschleunigungsmesser 101 dazu ausgebildet sein, dass er als ein 2-Achsen-Trägheitssensor (z. B. 1-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 1-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser) als ein 3-Achsen-Trägheitssensor (z. B. 2-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 1-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser oder 1-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 2-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser) als 4-Achsen-Trägheitssensor (z. B. 2-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 2-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser, 1-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 3-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser oder 3-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 1-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser) als 5-Achsen-Trägheitssensor (z. B. 3-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 2-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser oder 2-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 3-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser) oder als 6-Achsen-Trägheitssensor (z. B. 3-Achsen-Winkel-Beschleunigungsmesser und 3-Achsen-Linear-Beschleunigungsmesser), der hier auch als Beschleunigungsmesser mit sechs Freiheitsgraden (6-DOF) bezeichnet wird, zu fungieren.
  • In einigen Ausführungsformen weist der MEMS-Beschleunigungsmesser 101 eine einzelne Masse auf, die über einen oder mehrere Anker mit einem darunterliegenden Substrat verbunden sein kann. In anderen Ausführungsformen kann der MEMS-Beschleunigungsmesser 101 mehrere Massen aufweisen, die elastisch miteinander gekoppelt sind. Eine dieser Massen (die Prüfmasse) kann mit dem Substrat über einen oder mehrere Anker verbunden sein und die andere(n) Prüfmasse(n) (die Schiffchenmassen) können mit der Prüfmasse beispielsweise über eine oder mehrere Federn verbunden sein. Beispiele für diese Konfigurationen sind nachstehend angegeben. Natürlich sind MEMS-Beschleunigungsmesser der hierin beschriebenen Typen nicht auf irgendeine bestimmte Anzahl von Massen oder auf irgendeine spezielle Anordnung beschränkt, sofern dies nicht anders angegeben ist.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein MEMS-Beschleunigungsmesser mit einer einzelnen Prüfmasse verwendet werden, um sowohl die Winkel- als auch die Linearbeschleunigung zu detektieren. Der MEMS-Beschleunigungsmesser kann über ein oder mehrere Anbindungselemente mit einem oder mehreren Ankern (die mit einem darunterliegenden Substrat verbunden sind) verbunden sein. Die Anbindungselemente können beispielsweise durch Drehmoment, Biegen, Verformen, Strecken oder Stauchen sowohl auf Linear- als auch auf Winkelbeschleunigung reagieren. Das heißt, die Anbindungselemente können von dem(n) linearen Erfassungselement(en) und dem(n) Winkelerfassungselement(en) gemeinsam genutzt werden. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in 2 dargestellt.
  • 2 zeigt schematisch einen MEMS-Beschleunigungsmesser zum Detektieren der Winkel-und Linearbeschleunigung gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen. Wie dargestellt, weist der MEMS-Beschleunigungsmesser eine einzelne Prüfmasse 200 auf, feste Strukturen 235, Balken 236, einen mittleren Abschnitt 230, Anbindungselemente 232, Massenabschnitte 201, 211 und 221, Balken 215, Winkel-z-Erfassungsbalken 216, Linear-x-Erfassungsbalken 226 und Linear-y-Erfassungsbalken 228.
  • Die Prüfmasse 200 kann (zumindest teilweise) aus einem leitfähigen Material wie etwa Silizium, dotiertem Silizium, Polysilizium oder dotiertem Polysilizium bestehen. Das Silizium- und/oder Polysilizium kann in einigen Ausführungsformen mit einer Dotierungskonzentration zwischen 1016 cm-3 und 5 × 1020 cm-3, in einigen Ausführungsformen zwischen 1018 cm-3 und 1020 cm-3, in einigen Ausführungsformen zwischen 5 × 1018 cm-3 und 5 × 1019 cm-3 oder zwischen irgendwelchen geeigneten Werten oder einem Bereich von Werten n-dotiert und/oder p-dotiert sein. Andere Werte sind ebenfalls möglich. Als Alternative können andere leitfähige Materialien verwendet werden.
  • Die Prüfmasse 200 kann eine beliebige geeignete Form haben, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf ein Polygon (z. B. ein Rechteck oder ein Quadrat), eine Scheibe oder eine Ellipse. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 einen oder mehrere Massenabschnitte aufweisen, wie etwa Massenabschnitte 201, 211 und 221. Die Massenabschnitte 211 und 221 können in einer ringartigen Konfiguration angeordnet sein und in einigen Ausführungsformen konzentrische Ringe bilden, wenn auch nicht alle Ausführungsformen darauf beschränkt sind. Der Massenabschnitt 201 kann nahe des Randes der Prüfmasse 200 angeordnet sein. 2 zeigt eine Prüfmasse 200 mit drei Massenabschnitten. Die Anmeldung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl von Massenabschnitten beschränkt. Jeder Massenabschnitt kann einen inneren Rand und einen äußeren Rand aufweisen. Jeder äußerer Rand kann einen Bereich begrenzen, der den jeweiligen inneren Rand aufweist. Zum Beispiel kann der Massenabschnitt 201 einen inneren Rand 202 aufweisen, der einen Bereich begrenzt, der einen inneren Rand 204 aufweist. Die verschiedenen Massenabschnitte können durch einen oder mehrere Stützbalken verbunden sein, beispielsweise durch den Stützbalken 215. 2 zeigt eine Prüfmasse mit vier Stützträgern, wobei jede andere geeignete Anzahl von Stützträgern verwendet werden kann. Die Stützträger können eine rechteckige Form haben, wie es in der Figur dargestellt ist, oder eine beliebige andere geeignete Form.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 einen mittleren Abschnitt 230 aufweisen. Der mittlere Abschnitt 230 kann in einigen Ausführungsformen einen Bereich definieren, der die Mitte der Prüfmasse 200 umschließt. In einigen Ausführungsformen kann der mittlere Abschnitt 230 mit einem oder mehreren Ankern (in 2 nicht gezeigt) verbunden sein. Der oder die Anker können mit dem Substrat verbunden sein. In einigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Anker als Antwort auf eine oder mehrere Verdrehungen um die x-Achse und/oder die y-Achse als ein oder mehrere Drehpunkte für die Prüfmasse 200 fungieren. Der mittlere Abschnitt 230 kann eine beliebige geeignete Form haben. Zum Beispiel kann der mittlere Abschnitt 230 eine quadratische Form, eine rechteckige Form, eine Kreisform, eine elliptische Form usw. aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen können mehrere Anbindungselemente, wie z. B. das Anbindungselement 232, den mittleren Abschnitt 230 mit dem inneren Massenabschnitt verbinden. Beispiele für Anbindungselemente sind weiter unten beschrieben. In einigen Ausführungsformen können die Anbindungselemente als Federn dienen, die dazu ausgebildet sind, als Antwort auf eine Beschleunigung eine Rückstellkraft zu liefern. Die Federn können dazu dienen, die Prüfmasse in ihre ungestörte Position zurückzubringen. Die Elastizitätskonstante der Anbindungselemente kann von der Form der Anbindungselemente abhängen. Die Anbindungselemente können eine Bewegung der Prüfmasse 200 als Antwort auf eine Beschleunigung ermöglichen. Wenn die Prüfmasse 200 beispielsweise eine Winkelbeschleunigung um die x-Achse erfährt, können zumindest einige der Anbindungselemente aus der Ebene gedreht werden, so dass die Prüfmasse um die x-Achse kippen kann. Als ein weiteres Beispiel können sich die Anbindungselemente dann, wenn die Prüfmasse 200 eine Winkelbeschleunigung um die z-Achse erfährt, in der xy-Ebene verformen, was Drehungen der Prüfmasse in der Ebene ermöglicht. Als ein weiteres Beispiel können einige der Anbindungselemente dann, wenn die Prüfmasse 200 eine lineare Beschleunigung entlang der x-Achse erfährt, entlang der x-Achse gestreckt werden und einige der Anbindungselemente sich entlang der x-Achse gestaucht werden, wodurch Verschiebungen der Prüfmasse entlang der x-Achse ermöglicht werden. Als noch ein weiteres Beispiel können sich die Anbindungselemente dann, wenn die Prüfmasse 200 eine lineare Beschleunigung entlang der z-Achse erfährt, aus der Ebene heraus biegen, wodurch es der Prüfmasse ermöglicht wird, sich näher an das oder weiter weg von dem darunterliegenden Substrat zu bewegen.
  • Der MEMS-Beschleunigungsmesser von 2 kann dazu ausgebildet sein, eine Winkelbeschleunigung um eine, zwei oder drei Achsen zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 mehrere Balken aufweisen, wie z. B. den Winkel-z-Erfassungsbalken 216, um Verdrehung(en) um die z-Achse zu detektieren. In dieser Anwendung können die „Balken“ des in 2 dargestellten Typs alternativ als „Finger“, „geklemmt/freie Balken“ und in einigen Ausführungsformen als Ausleger bezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen können die Träger an dem inneren Rand eines Massenabschnitts wie etwa dem inneren Rand 204 befestigt sein. In einigen Ausführungsformen können die Träger so aufgehängt sein, dass die Bereiche, in denen sie den inneren Rand 204 berühren, ihr einziger Befestigungspunkt sind. In einigen Ausführungsformen können sich die Balken in Richtung der Mitte der Prüfmasse 200 erstrecken. In einigen Ausführungsformen können sich die Balken radial in Richtung der Mitte der Prüfmasse 200 erstrecken. Als Antwort auf eine oder mehrere Verdrehungen um die z-Achse können sich die Balken in der xy-Ebene um die Bereiche herum, in denen sie den inneren Rand 204 berühren, drehen. Wie weiter unten diskutiert kann dann, wenn sich die Balken bewegen, eine Variation in einem Parameter wie etwa einer Kapazität detektiert werden. Die Prüfmasse 200 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Winkel-z-Erfassungsbalken aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 einen zweiten Satz von Balken aufweisen, die den inneren Rand des Massenabschnitts 211 kontaktieren, wie es in 2 dargestellt ist. Obwohl 2 die Prüfmasse 200 mit zwei Sätzen von Balken zeigt, ist die Anwendung in dieser Hinsicht nicht beschränkt und eine beliebige andere geeignete Anzahl von Sätzen von Balken größer als null kann verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können die den Massenabschnitt 201 berührenden Balken länger sein als die den Massenabschnitt 211 berührenden Balken. In einigen Ausführungsformen können die den Massenabschnitt 201 berührenden Balken eine Winkelteilung aufweisen, die kleiner als die Winkelteilung der den Massenabschnitt 211 berührenden Balken ist.
  • 3 ist eine Draufsicht auf ein Winkel-z-Erfassungselement 300, das einen Balken aufweist, dessen eines Ende an einem inneren Rand einer Prüfmasse befestigt ist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Das Winkel-z-Erfassungselement 300 kann einen Balken 216 aufweisen, der den inneren Rand 204 berührt. In einigen Ausführungsformen kann der Balken 216 so ausgebildet sein, dass er sich als Antwort auf Verdrehung(en) um die z-Achse in der xy-Ebene bewegt, wie es durch Pfeil 320 und Pfeil 321 dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen kann das Winkel-z-Erfassungselement 300 eine Elektrode 313 aufweisen. Die Elektrode 313 kann in einigen Ausführungsformen benachbart zu dem Balken 216 sein. Die Elektrode 313 kann in einigen Ausführungsformen ein leitendes Material enthalten, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, dotiertes Silizium und/oder dotiertes Polysilizium. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 313 mit dem Pfosten 316 verbunden sein. Der Pfosten 316 kann mit einem Substrat verbunden sein. Obwohl 3 zeigt, dass die Elektrode 313 über einen Pfosten mit dem Substrat verbunden ist, kann eine beliebige andere geeignete Anzahl von Pfosten, die größer als eins ist, verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator CAz + mit einer Elektrode 313 und einem Balken 216 als Elektroden ausgebildet sein. Wenn sich der Balken 216 als Antwort auf Verdrehung(en) um die z-Achse bewegt, kann sich der Abstand zwischen dem Balken 216 und der Elektrode 313 ändern, wodurch eine Änderung der dem Kondensator CAz + zugeordneten Kapazität bewirkt wird. Die Änderung der Kapazität kann dazu verwendet werden, Verdrehung(en) um die z-Achse zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Winkel-z-Erfassungselement 300 eine zweite Elektrode 314 aufweisen, die über den Pfosten 318 mit dem Substrat verbunden sein kann und aus dem gleichen Material wie die Elektrode 313 bestehen kann. In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator CAz - mit der Elektrode 314 und dem Balken 216 als Elektroden ausgebildet sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Änderung der Kapazität, die dem Kondensator CAz -zugeordnet ist, so ausgebildet sein, dass sie das Gegenteil der Änderung der Kapazität ist, die dem Kondensator CAz + zugeordnet ist. Wenn beispielsweise ΔCAz die Änderung der Kapazität als Antwort auf Verdrehung(en) um die z-Achse ist, die dem Kondensator CAz -zugeordnet ist, kann die Änderung der Kapazität, die dem Kondensator CAz + zugeordnet ist, gleich -ΔCAz sein. Dadurch können Bewegungen in der xy-Ebene zur Erzeugung von Differenzsignalen führen.
  • 4 zeigt ein Beispiel eines Differenzsignals, das von einem Winkel-z-Erfassungselement erzeugt wird, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. In dem nicht einschränkenden Beispiel von 4 kann eine sinusförmige Verdrehung angewendet werden, um die Masse 200 um die z-Achse zu prüfen. Als Antwort auf eine solche Verdrehung kann sich der Balken 216 im Laufe der Zeit gemäß den Pfeilen 320 und 321 bewegen, wodurch eine sinusförmige zeitliche Änderung der dem Kondensator CAz + zugeordneten Kapazität und eine entgegengesetzte Änderung der Kapazität des Kondensators CAz - verursacht werden. Die Änderung der zwei Kapazitäten kann die Erzeugung von Differenzsignalen 402 und 404 bewirken, wie es in 4 dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Verwendung von Differenzsignalen gegenüber der Verwendung von Eintaktsignalen zum Unterdrücken von Gleichtaktsignalen vorzuziehen sein. Zum Beispiel können Gleichtaktsignale durch lineare Beschleunigung, die in Bezug auf die z-Achse auftritt, durch Substratverformungen und/oder durch Rauschen verursacht werden. In einem weiteren Beispiel können Gleichtaktsignale durch das Übersprechen verursacht werden, das zwischen zwei Moden auftritt, die jeweils zwei orthogonalen Achsen zugeordnet sind.
  • Verdrehung(en) um die x-Achse und y-Achse können unter Verwendung von Erfassungskondensatoren detektiert werden, wobei eine Elektrode dieser Erfassungskondensatoren auf dem Substrat angeordnet sein kann. Auf diese Weise kann eine Winkelbewegung der Prüfmasse aus der Ebene durch Erfassen von Variationen in dem Abstand zwischen einem Abschnitt der Prüfmasse und dem Substrat detektiert werden. 5A ist eine Seitenansicht eines MEMS-Beschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse 200, einen Anker 503 und Winkel-x-Erfassungselektroden 541 und 542 aufweist, in einer yz-Ebene gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 in einem Hohlraum 502 angeordnet sein, der auf einem Substrat 501 ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Hohlraum 502 durch Ätzen eines Abschnitts des Substrats 501 erhalten werden. Das Substrat 501 kann in einigen Ausführungsformen ein Siliziumsubstrat sein. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 durch einen Anker 503 mit dem Substrat 501 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann der Anker 503 mit dem mittleren Abschnitt 230 verbunden sein. Der Abstand zwischen der unteren Oberfläche der Prüfmasse und der oberen Oberfläche des Substrats entlang der z-Achse gemessen kann in einigen Ausführungsformen zwischen 1 µm und 10 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 1,5 µm und 3 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 1,7 µm und 1,9 µm oder zwischen beliebigen geeigneten Werten oder Wertebereichen liegen. Andere Werte sind ebenfalls möglich. Die Prüfmasse 200 kann eine Dicke gemessen entlang der z-Achse aufweisen, die in einigen Ausführungsformen zwischen 1 µm und 50 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 10 µm und 20 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 15 µm und 17 µm oder zwischen beliebigen geeigneten Werten oder Wertebereichen liegt. Andere Werte sind ebenfalls möglich.
  • 5A zeigt Winkel-x-Erfassungselektroden 541 und 542, die auf dem Substrat 501 auf gegenüberliegenden Seiten des Ankers 503 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen können die Winkel-x-Erfassungselektroden 541 und 542 an Stellen angeordnet sein, die dem äußeren Rand der Prüfmasse 200 entsprechen, wie etwa einem äußeren Rand 202. In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator CAx + mit einer Winkel-x-Erfassungselektrode 542 und einer Prüfmasse 200 als Elektroden ausgebildet sein. Als Antwort auf die Beschleunigung um die x-Achse kann sich die Prüfmasse 200 um die x-Achse drehen, wobei der Anker 503 als Drehpunkt verwendet wird. Folglich kann der Abstand zwischen der Prüfmasse 200 und der Winkel-x-Erfassungselektrode 542 variieren, wodurch eine Änderung der Kapazität, die der Kapazität CAx + zugeordnet ist, verursacht wird. Die Änderung der Kapazität kann dazu verwendet werden, Verdrehung(en) um die x-Achse zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator CAx - mit einer Winkel-x-Erfassungselektrode 541 und einer Prüfmasse 200 als Elektroden ausgebildet sein. Als Antwort auf die Beschleunigung um die x-Achse kann sich die Prüfmasse 200 um die x-Achse drehen, wobei der Anker 503 als Drehpunkt verwendet wird. Folglich kann der Abstand zwischen der Prüfmasse 200 und der Winkel-x-Erfassungselektrode 541 variieren, wodurch eine Änderung der der Kapazität CAx - zugeordneten Kapazität verursacht wird. Die Änderung der Kapazität kann dazu verwendet werden, Verdrehung(en) um die x-Achse zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Änderung der Kapazität, die dem Kondensator CAx-zugeordnet ist, so ausgebildet sein, dass sie das Gegenteil der Änderung der Kapazität ist, die dem Kondensator CAx + zugeordnet ist. Wenn beispielsweise ΔCAx die Änderung der Kapazität ist, die dem Kondensator Cx - zugeordnet ist, kann die Änderung der Kapazität, die dem Kondensator Cx + zugeordnet ist, gleich -ΔCAx sein. Dadurch können Bewegungen in der yz-Ebene zur Erzeugung von Differenzsignalen führen.
  • 5A zeigt ferner eine Elektrode 313, die Teil eines Winkel-z-Erfassungselements 300 sein kann, wie es in 3 dargestellt ist. Der Einfachheit halber ist in 5A nur eine Elektrode 313 dargestellt. Wie oben diskutiert kann die Elektrode 313 durch den Pfosten 316 mit dem Substrat 501 verbunden sein. Der Pfosten 316 kann in einigen Ausführungsformen aus einem leitenden Material hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen kann die Winkel-z-Erfassungselektrode 540 auf dem Substrat 501 angeordnet sein und kann über den Pfosten 316 in elektrischem Kontakt mit der Elektrode 313 stehen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 540 unter der oberen Oberfläche des Substrats 501 angeordnet sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Winkel-x-Erfassungselektrode 541 an irgendeiner geeigneten Stelle positioniert sein, so dass der Abstand zwischen der Winkel-x-Erfassungselektrode 541 und dem Anker 503 größer als der Abstand zwischen der Elektrode 313 und dem Anker 503 ist. Ebenso kann die Winkel-x-Erfassungselektrode 542 an irgendeiner geeigneten Stelle positioniert sein, so dass der Abstand zwischen der Winkel-x-Erfassungselektrode 542 und dem Anker 503 größer als der Abstand zwischen irgendeiner der Elektroden 313 und dem Anker 503 ist.
  • Die Detektion der Winkelbeschleunigung um die y-Achse kann auf ähnliche Weise durchgeführt werden. 5B ist eine Seitenansicht in einer xz-Ebene eines MEMS-Beschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse 200, einen Anker 503 und Winkel-y-Erfassungselektroden 551 und 552 aufweist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Wie dargestellt kann ein Kondensator CAy + zwischen der Prüfmasse 200 und der Winkel-y-Erfassungselektrode 552 ausgebildet sein und ein Kondensator CAy - zwischen der Prüfmasse 200 und der Winkel-y-Erfassungselektrode 551 ausgebildet sein. Die Kondensatoren CAy + und CAy - können auf eine Winkelbeschleunigung um die y-Achse ansprechen und können in der gleichen Weise wie im Zusammenhang mit den Kondensatoren CAx + und CAx - beschrieben arbeiten.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Winkel-y-Erfassungselektrode 551 an irgendeiner geeigneten Stelle positioniert sein, so dass der Abstand zwischen der Winkel-y-Erfassungselektrode 551 und dem Anker 503 größer als der Abstand zwischen der Elektrode 313 und dem Anker 503 ist. Ebenso kann die Winkel-y-Erfassungselektrode 552 an irgendeiner geeigneten Stelle positioniert sein, so dass der Abstand zwischen der Winkel-y-Erfassungselektrode 552 und dem Anker 503 größer ist als der Abstand zwischen irgendeiner der Elektroden 313 und dem Anker 503.
  • 5C ist eine Draufsicht auf einen MEMS-Beschleunigungsmesser, der Winkel-x-Erfassungselektroden, Winkel-y-Erfassungselektroden und Winkel-z-Erfassungselektroden aufweist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Die gestrichelten Linien, die dem inneren Rand 204 und dem äußeren Rand 202 des Massenabschnitts 201, dem inneren Rand 214 und dem äußeren Rand 212 des Massenabschnitts 211 entsprechen, können auf einer xy-Ebene angeordnet sein, die einer Oberfläche der Prüfmasse 200 entspricht. 5C zeigt zwei Massenabschnitte, wobei eine beliebige geeignete Anzahl von Massenabschnitten verwendet werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen können die Winkel-x-Erfassungselektroden 541 und 542 auf dem Substrat 501 an Stellen angeordnet sein, die dem Massenabschnitt 201 entsprechen. In einigen Ausführungsformen können die Winkel-x-Erfassungselektroden 541 und 542 an Stellen angeordnet sein, die dem äußeren Rand 202 entsprechen. In einigen Ausführungsformen können die Winkel-x-Erfassungselektroden 541 und 542 an gegenüberliegenden Seiten des Massenabschnitts 201 angeordnet sein. Die Winkel-x-Erfassungselektrode 541 kann mit der Metallkontaktstelle SAx - verbunden sein, auf die durch Drahtbonden oder durch eine Sonde zugegriffen werden kann. In ähnlicher Weise kann die Winkel-x-Erfassungselektrode 542 mit der Metallkontaktstelle SAx + verbunden sein, auf die durch Drahtbonden oder durch eine Sonde zugegriffen werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Metallkontaktstelle ref mit dem Anker verbunden sein und kann dazu ausgebildet sein, eine Referenzspannung bereitzustellen.
  • In einigen Ausführungsformen können Bewegungen der Prüfmasse 200 um die x-Achse die Erzeugung einer ersten Spannung zwischen der Metallkontaktstelle SAx - und der Metallkontaktstelle ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können Bewegungen der Prüfmasse 200 um die x-Achse die Erzeugung einer zweiten Spannung zwischen der Metallkontaktstelle SAx + und der Metallkontaktstelle ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können die zwei Spannungen zwei Differenzsignale bilden. Wenn sich die Prüfmasse um den Anker 503 dreht, kann sich daher der Abschnitt des Massenabschnitts 201, der der Winkel-x-Erfassungselektrode 541 entspricht, auf das Winkel-x-Erfassungselement 541 zubewegen (oder davon wegbewegen), während sich gleichzeitig der Abschnitt des Massenabschnitts 201, der der Winkel-x-Erfassungselektrode 542 entspricht, sich von dem Winkel-x-Erfassungselement 542 wegbewegen (oder darauf zubewegen) kann.
  • In einigen Ausführungsformen können Winkel-y-Erfassungselektroden 551 und 552 auf dem Substrat 501 an Stellen angeordnet sein, die dem Massenabschnitt 201 entsprechen. In einigen Ausführungsformen können Winkel-y-Erfassungselektroden 551 und 552 an Stellen angeordnet sein, die dem äußeren Rand 202 entsprechen. In einigen Ausführungsformen können Winkel-y-Erfassungselektroden 551 und 552 an gegenüberliegenden Seiten des Massenabschnitts 201 angeordnet sein. Die Winkel-y-Erfassungselektrode 551 kann mit einer Metallkontaktstelle SAy - verbunden sein und die Winkel-y-Erfassungselektrode 552 mit einer Metallkontaktstelle SAy + verbunden sein.
  • In einigen Ausführungsformen können mehrere Winkel-z-Erfassungselemente wie z. B. das Winkel-z-Erfassungselement 300, das in Verbindung mit 3 beschrieben ist, den inneren Rand 204 berühren. Obwohl 5C vier Winkel-z-Erfassungselemente darstellt, kann eine beliebige geeignete Anzahl von Winkel-z-Erfassungselementen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können die Winkel-z-Erfassungselemente einen Balken 216 aufweisen, dessen Ende an dem inneren Rand 204 fixiert ist. In einigen Ausführungsformen können die Winkel-z-Erfassungselemente Elektroden 313 und 314 aufweisen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Balkens 216 angeordnet sind. Die Elektroden 313 und 314 können mit Winkel-z-Erfassungselektroden (in 5C nicht gezeigt), die auf dem Substrat 501 angeordnet sind, durch den Pfosten 316 bzw. durch den Pfosten 318 verbunden sein.
  • In einigen Ausführungsformen können alle oder ein Teil der Winkel-z-Erfassungselektroden, die mit den Elektroden 313 gekoppelt sind, miteinander verbunden sein, wie es in 5C dargestellt ist. Solche Winkel-z-Erfassungselektroden können ferner mit der Metallkontaktstelle SAz - verbunden sein. In einigen Ausführungsformen können alle oder ein Teil der Winkel-z-Erfassungselektroden, die mit den Elektroden 314 gekoppelt sind, miteinander verbunden sein, wie es in 5C dargestellt ist. Solche Winkel-z-Erfassungselektroden können ferner mit der Metallkontaktstelle SAz + verbunden sein. In einigen Ausführungsformen können Bewegungen der Prüfmasse 200 um die z-Achse die Erzeugung einer ersten Spannung zwischen der Metallkontaktstelle Sz - und der Metallkontaktstelle ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können Bewegungen der Prüfmasse 200 um die z-Achse die Erzeugung einer zweiten Spannung zwischen der Metallkontaktstelle Sz + und der Metallkontaktstelle ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können die zwei Spannungen zwei Differenzsignale bilden. Wenn sich die Balken 216 auf die Elektroden 313 und 314 zu und von diesen weg bewegen, können sich dementsprechend die den Kondensatoren CAz - und CAz + zugeordneten Kapazitäten ändern, wodurch die Erzeugung von Differenzsignalen wie beispielsweise der Differenzsignale 402 und 404, wie sie in 4 gezeigt sind, verursacht wird.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird ein einzelner Anker verwendet, um die Prüfmasse mit dem Substrat zu verbinden. In anderen Ausführungsformen können mehrere Anker verwendet werden. 5D ist eine Draufsicht, die einen Abschnitt eines MEMS-Beschleunigungsmessers mit mehreren Ankern gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt. Wie dargestellt kann der MEMS-Beschleunigungsmesser einen mittleren Abschnitt 230, Anbindungselemente 232, Anker 553 und Balken 555, die den Massenabschnitt 221 verbinden, aufweisen, wie es zuvor in Verbindung mit 2 beschrieben worden ist. Obwohl 5D einen MEMS-Beschleunigungsmesser mit vier Ankern zeigt, kann jede andere geeignete Anzahl von Ankern verwendet werden. Die Anker können in gleichem Winkel zueinander versetzt sein. Zum Beispiel kann in den Ausführungsformen, in denen vier Anker verwendet werden, jeder Anker 553 relativ zu den benachbarten Ankern um ungefähr 90° (z. B. zwischen 89° und 91° oder zwischen 85° und 95°) im Winkel versetzt sein. Der radiale Abstand zwischen der Mitte des mittleren Abschnitts 230 und der Position der Anker kann so gewählt sein, dass ein gewünschter Kompromiss zwischen dem Ansprechen auf lineare Beschleunigung und dem Ansprechen auf Winkelbeschleunigung erzielt wird. Zum Beispiel kann das Erhöhen eines solchen radialen Abstands zu einem verringerten Übersprechen zwischen Winkel- und Linearbeschleunigung führen. Größere radiale Abstände können jedoch aufgrund einer Zunahme der effektiven Torsionssteifigkeit der Prüfmasse auch eine Abnahme der Empfindlichkeit gegenüber einer Winkelbeschleunigung verursachen.
  • In einigen Ausführungsformen können die Anker über Balken 555 mit der Prüfmasse verbunden sein. Zum Beispiel können die Anker 553 über Anbindungselemente 232 mit dem mittleren Abschnitt 230 gekoppelt sein und der mittlere Abschnitt 230 kann über Balken 555 mit dem Massenabschnitt 221 gekoppelt sein. Die Balken 555 können in einigen Ausführungsformen steifer als die Anbindungselemente 232 sein. In einigen Ausführungsformen kann jeder Balken 555 in Bezug auf die benachbarten Anker um ungefähr 45° (z. B. zwischen 44° und 46° oder zwischen 40° und 50°) im Winkel versetzt sein. Wenn eine Winkelbeschleunigung um die z-Achse auftritt, können sich die Anbindungselemente 232 in der xy-Ebene biegen, wodurch eine Bewegung der Prüfmasse ermöglicht wird. Zur gleichen Zeit können sich die Balken 555 in der Ebene drehen, wodurch Drehungen der Prüfmasse verursacht werden.
  • Wie oben beschrieben können die Anbindungselemente 232 eine Elastizitätskonstante aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Prüfmasse 200 in ihre ungestörte Position zurückzubringen. In einigen Ausführungsformen können die Anbindungselemente 232 ferner dazu ausgebildet sein, mechanische Spannungen zu absorbieren, die innerhalb der Prüfmasse 200 auftreten können. Dementsprechend können die Anbindungselemente teilweise flexibel sein und ihre Formen basierend auf der aufgebrachten mechanischen Spannung anpassen, wodurch die von den äußeren Abschnitten der Prüfmasse aufgenommene mechanische Spannung verringert wird. In einigen Ausführungsformen können die Anbindungselemente ferner dazu ausgebildet sein, nicht-orthogonale Moden wie z. B. diagonale Moden zu unterdrücken. Die Anbindungselemente 232 können asymmetrisch oder symmetrisch sein.
  • 6A ist eine Draufsicht, die ein asymmetrisches Anbindungselement 632 gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt. Das asymmetrische Anbindungselement 632 kann als eines der Anbindungselemente 232 dienen. In einigen Ausführungsformen kann das Anbindungselement 632 Serpentinenformen aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Anbindungselement 632 Elemente mit s-Formen aufweisen. Das Anbindungselement 632 kann ferner erste Balken, die die s-förmigen Elemente mit dem mittleren Abschnitt 230 verbinden, und zweite Balken, die die s-förmigen Elemente mit dem Massenabschnitt 221 verbinden, aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die Anbindungselemente 632 asymmetrisch um eine Achse wie etwa die Achse 295, die parallel zu einem Radius, der durch das Anbindungselement und die Mitte der Prüfmasse verläuft, sein. In einigen Ausführungsformen können die Anbindungselemente 632 eine 180-Grad-Rotationssymmetrie um einen zwischen dem mittleren Abschnitt 230 und dem Massenabschnitt 221 angeordneten Punkt wie beispielsweise den Punkt 297 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Punkt 297 ein Mittelpunkt zwischen einem Rand des mittleren Abschnitts 230 und dem inneren Rand des Massenabschnitts 221 sein. In einigen Ausführungsformen kann das Anbindungselement 632 symmetrisch zu dem gegenüberliegenden Anbindungselement in Bezug auf eine Achse, die durch die Mitte der Prüfmasse verläuft und senkrecht zu der Achse des Anbindungselements ist, sein. Eine solche Symmetrie kann als Spiegelsymmetrie bezeichnet werden.
  • Da das Anbindungselement 632 asymmetrisch ist, kann es selbst dann zu Verdrehungen der Prüfmasse kommen, wenn keine Winkelbeschleunigungen ausgeübt werden. Dieses Verhalten kann unerwünscht sein, da es zu Übersprechen führen kann. Somit können in einigen Ausführungsformen symmetrische Anbindungselemente verwendet werden, die in einigen Ausführungsformen weniger anfällig für unerwünschte Verdrehungen sind. Anders als asymmetrische Anbindungselemente können symmetrische Anbindungselemente Verdrehungen der Prüfmasse verhindern, wenn keine Winkelbeschleunigungen ausgeübt werden. 6B zeigt ein Beispiel eines symmetrischen Anbindungselements gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen. Das Anbindungselement 633 kann als eines der Anbindungselemente 232 dienen. Wie dargestellt kann das Anbindungselement 633 in Bezug auf die Symmetrieachse 285 symmetrisch sein.
  • In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Löcher 639 durch ein Anbindungselement 633 geätzt sein. Zum Beispiel kann das eine oder die mehreren Löcher entlang der Symmetrieachse 285 geätzt sein, wie es in 6B dargestellt ist. Die Form und Anzahl der Löcher kann gewählt werden, um die Steifigkeit des Anbindungselements 633 wie gewünscht zu steuern. Zum Beispiel kann das Erhöhen der Größe und/oder der Anzahl von Löchern die Steifigkeit des Anbindungselements in einigen Ausführungsformen verringern.
  • Zusätzlich zum Detektieren der Winkelbeschleunigung kann der MEMS-Beschleunigungsmesser, der in 2 gezeigt ist, dazu ausgebildet sein, eine Linearbeschleunigung entlang einer, zwei oder drei Achsen zu detektieren.
  • Die Linearbeschleunigung entlang der z-Achse kann durch Erfassen von Variationen in dem Abstand zwischen der Prüfmasse 200 und dem Substrat detektiert werden. Wenn die Prüfmasse 200 beispielsweise eine Beschleunigung entlang der z-Achse erfährt, können sich die Anbindungselemente 232 aus der Ebene heraus biegen, so dass sich die Prüfmasse näher an das oder weiter weg von dem Substrat bewegen kann. Der Abstand zwischen der Prüfmasse und dem Substrat kann unter Verwendung eines oder mehrerer z-Erfassungskondensatoren CLz elektrisch erfasst werden, die eine auf dem Substrat angeordnete Elektrode aufweisen können, während die Prüfmasse als die zweite Elektrode dienen kann.
  • Unter bestimmten Umständen kann die Form des Substrats als Antwort auf mechanische Spannungen deformiert werden, die beispielsweise dadurch verursacht werden, dass das Substrat und das Gehäuse unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Als Ergebnis kann der Abstand zwischen dem Substrat und der Prüfmasse variieren, obwohl keine Beschleunigungen vorhanden sind. Da die Detektion der linearen z-Achsen-Beschleunigung zumindest in einigen Ausführungsformen auf der Detektion des Abstands zwischen der Prüfmasse und dem Substrat basieren kann, können diese Substratverformungen die Fähigkeit einschränken, eine solche Beschleunigung zu erfassen. Um den Einfluss der Substratverformung einzudämmen, kann in einigen Ausführungsformen ein Referenzkondensator verwendet werden. Genau wie der eine oder die mehreren z-Erfassungskondensatoren CLz kann der Referenzkondensator Variationen in dem Abstand zwischen der Prüfmasse und dem Substrat detektieren. Im Gegensatz zu dem einen oder den mehreren z-Erfassungskondensatoren CLz können die Referenzkondensatoren jedoch unempfindlich (oder schwach empfindlich) gegenüber Beschleunigung sein. Auf diese Weise kann ein Maß für die Substratverformung erhalten werden, das unabhängig von der Anwesenheit einer Beschleunigung ist. In einem Beispiel sind Referenzkondensatoren zwischen dem Substrat und den Referenzbalken 236 ausgebildet, die in 2 dargestellt sind. Die Referenzbalken 236 können starr mit den festen Strukturen 235 verbunden sein und daher gegenüber der linearen z-Achsen-Beschleunigung unempfindlich (oder schwach empfindlich) sein.
  • 7A ist eine Querschnittsansicht des MEMS-Beschleunigungsmessers von 2 entlang der Linie AA von 2. Wie dargestellt ist ein Linear-z-Erfassungskondensator CLz zwischen der Prüfmasse 200 und der Linear-z-Erfassungselektrode 700 ausgebildet. Zusätzlich kann ein Referenzkondensator Cref zwischen dem Referenzbalken 236 und der Referenzelektrode 702 ausgebildet sein. Der Referenzbalken 236 kann mit der festen Struktur 235 verbunden sein und kann in einigen Ausführungsformen freitragend sein. In einigen Ausführungsformen kann der Referenzbalken 236 ein freies Ende aufweisen, das sich in Richtung des mittleren Abschnitts 230 erstreckt.
  • Wenn eine Beschleunigung az parallel zu der z-Achse ausgeübt wird, kann sich die Prüfmasse 200 bewegen, beispielsweise wie durch Pfeil 710 gezeigt. Wie in 7B gezeigt können die Anbindungselemente 232 eine Bewegung der Prüfmasse aus der Ebene ermöglichen und können dazu ausgebildet sein, die Prüfmasse 200 in ihre natürliche Position oder Ruheposition zurückzustellen, wenn der Beschleunigungsmesser keiner Beschleunigung mehr ausgesetzt ist. Während sich die Prüfmasse 200 als Antwort auf die Beschleunigung in der z-Achse bewegt, bleibt der Referenzbalken 236 im Wesentlichen in Ruhe (z. B. bei einer Verschiebung, die kleiner als 100 nm ist).
  • Wenn das Substrat andererseits verformt wird, beispielsweise aufgrund von mechanischen Spannungen innerhalb der Baugruppe, kann eine solche Verformung durch den Linear-z-Erfassungskondensator CLz sowie durch die Referenzkondensatoren Cref erfasst werden. Da die Kapazität des Referenzkondensators abhängig von der Substratverformung und im Wesentlichen unabhängig von der Beschleunigung ist, kann der Referenzkondensator in einigen Ausführungsformen verwendet werden, um das Ausmaß zu erfassen, in dem das Substrat 501 verformt wird. Die Kapazität des Linear-z-Erfassungskondensators CLz kann die Größe der Beschleunigung az sowie das Ausmaß, in dem das Substrat 501 verformt wird, widerspiegeln. Dementsprechend kann die Größe der Beschleunigung az durch Kombinieren der Signale, die mit dem Referenzkondensator Cref und dem linearen z-Erfassungskondensator CLz erhalten werden, derart erfasst werden, dass der Einfluss der Substratverformung aufgehoben (oder zumindest begrenzt) wird. In einigen Ausführungsformen kann eine Steuer-/Erfassungsschaltung, die an den Linear-z-Erfassungskondensator CLz und an den Referenzkondensator Cref gekoppelt ist, verwendet werden, um die Signale zu kombinieren. Die Steuer-/Erfassungsschaltung kann auf dem Substrat 501 oder auf einem separaten Substrat angeordnet sein.
  • Um das Ausmaß zu quantifizieren, in dem die Kapazität des Referenzkondensators und des Linear-z-Messkondensators CLz variiert, können in einigen Ausführungsformen Abtastsignale an die Kondensatoren angelegt werden. In einigen Ausführungsformen können die Abtastsignale Taktsignale (z. B. periodische Rechteckwellen) sein. In einigen Ausführungsformen kann ein erstes Taktsignal verwendet werden, um den Linear-z-Erfassungskondensator CLz zu laden, und ein zweites Taktsignal verwendet werden, um den Referenzkondensator Cref zu laden. Die Taktsignale können unter Verwendung der Steuer-/Erfassungsschaltung erzeugt werden.
  • Das erste Taktsignal kann eine elektrische Ladung in dem Linear-z-Erfassungskondensator CLz erzeugen, die von seiner Kapazität und der Spannungsamplitude (V1) des ersten Taktsignals abhängt. Zum Beispiel kann die Ladung durch V1 CLz gegeben sein. In ähnlicher Weise kann das zweite Taktsignal eine elektrische Ladung in dem Referenzkondensator Cref erzeugen, die von seiner Kapazität und der Spannungsamplitude (V2) des zweiten Taktsignals abhängt. Zum Beispiel kann die Ladung durch V2 Cref gegeben sein.
  • In einigen Ausführungsformen können, um die Detektion der z-Achsen-Beschleunigung von den mechanischen Substratspannungen zu entkoppeln, die durch die Kondensatoren als Antwort auf die Substratverformung erzeugten elektrischen Ladungsmengen so ausgebildet sein, dass sie im Wesentlichen die gleiche Amplitude und ein entgegengesetztes Vorzeichen zueinander aufweisen. Entgegengesetzte Vorzeichen können zumindest in einigen Ausführungsformen erhalten werden, indem das erste und das zweite Taktsignal relativ zueinander phasenverschoben (z. B. um 180 Grad) eingestellt werden. Gleiche Ladungsmengen können durch Festlegen von V1, V2, Cref und CLz gemäß der folgenden Beziehung sichergestellt werden: V1 CLz - V2 Cref = 0.
  • Die lineare Beschleunigung in der x-Achse kann unter Verwendung von Linear-x-Erfassungsbalken 226 erfasst werden und die lineare Beschleunigung in der y-Achse kann unter Verwendung von Linear-y-Erfassungsbalken 228 erfasst werden. Wie in 2 gezeigt können Linear-x-Erfassungsbalken 226 und Linear-y-Erfassungsbalken 228 mit dem äußeren Rand 202 der Prüfmasse 200 verbunden sein. Beispielsweise kann ein Ende der Linear-x-Erfassungsbalken und der Linear-y-Erfassungsbalken mit der Prüfmasse verbunden sein und das andere Ende frei sein. Somit können die Linear-x-Erfassungsbalken und Linear-y-Erfassungsbalken im Allgemeinen in eine Richtung weg von der Mitte der Prüfmasse 200 zeigen. Es sollte klar sein, dass die Linear-x-Erfassungsbalken und die Linear-y-Erfassungsbalken nicht mit dem äußeren Rand 202 verbunden sein müssen, da auch andere Konfigurationen möglich sind. Die Linear-x-Erfassungsbalken und Linear-y-Erfassungsbalken können Erfassungskondensatoren mit festen Balken bilden, wie es in 8A und 8B in weiteren Einzelheiten dargestellt ist. Zum Beispiel kann der Linear-y-Erfassungsbalken 228 Linear-y-Erfassungskondensatoren CLy + und CLy - mit festen Elektroden 2291 bzw. 2292 bilden (siehe 8A). Der Linear-x-Erfassungsbalken 226 kann Linear-x-Erfassungskondensatoren CLx + und CLx - mit festen Elektroden 2271 bzw. 2272 bilden (siehe 8B). Die Linear-Erfassungsbalken können so angeordnet sein, dass dann, wenn als Antwort auf eine Beschleunigung ihre Entfernung relativ zu einer festen Elektrode verringert wird, ihre Entfernung relativ zu der gegenüberliegenden festen Elektrode erhöht wird. Auf diese Weise können Differenzsignale als Antwort auf eine Beschleunigung erzeugt werden.
  • In der Konfiguration, die in 2 gezeigt ist, kann ein Satz von Anbindungselementen verwendet werden, um eine Bewegung des MEMS-Beschleunigungsmessers als Antwort auf Linear- und Winkelbeschleunigung zu ermöglichen. Wie in 2 gezeigt werden Anbindungselemente 232 verwendet, um sowohl eine lineare Verschiebung als auch eine Winkelverschiebung der Prüfmasse zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen kann jedoch die Art und Weise, in der diese Anbindungselemente positioniert und geformt sind, optimiert sein, um eine Winkelbewegung zu begünstigen, während das Ansprechen der Prüfmasse auf eine lineare Beschleunigung geopfert wird (oder umgekehrt). Das heißt, die Konstruktion der Anbindungselemente kann durch Abwägungsüberlegungen zwischen dem Erzielen einer großen Antwort auf die lineare Beschleunigung und einer großen Antwort auf die Winkelbeschleunigung bestimmt werden. Zum Beispiel kann unter bestimmten Umständen das Ansprechen auf die Winkelbeschleunigung verbessert werden, indem ein einzelner Anker, der durch einen Satz von Anbindungselementen an der Mitte des mittleren Abschnitts 230 angebracht ist, aufgenommen wird. Auf diese Weise kann die Beständigkeit gegenüber mechanischen Spannungen in dem Substrat verbessert werden. Andererseits kann das Ansprechen auf die lineare Beschleunigung verbessert werden, indem mehrere Anker, die von der Mitte des mittleren Abschnitts 230 entfernt angeordnet sind, und Anbindungselemente, die die Anker mit der Prüfmasse verbinden, aufgenommen werden. Auf diese Weise kann das durch die Winkelbeschleunigung verursachte Übersprechen abgemildert werden.
  • In anderen Ausführungsformen können jedoch separate Sätze von Anbindungselementen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein erster Satz von Anbindungselementen die Bewegung eines MEMS-Beschleunigungsmessers als Antwort auf lineare Beschleunigung ermöglichen und ein weiterer Satz von Anbindungselementen eine Bewegung des MEMS-Beschleunigungsmessers als Antwort auf eine Winkelbeschleunigung ermöglichen. Auf diese Weise können die Sätze von Anbindungselementen unabhängig ausgebildet und/oder angeordnet werden und das Ansprechen des Beschleunigungsmessers auf Linear- und Winkelbeschleunigung kann unabhängig voneinander implementiert sein.
  • Eine repräsentative Konfiguration zum Detektieren der Linear- und Winkelbeschleunigung unter Verwendung separater Sätze von Anbindungselementen ist in 9 dargestellt. Der MEMS-Beschleunigungsmesser 900 kann eine Prüfmasse 901, Schiffchenmassen 920 und 922, Anbindungselemente 928 und Anbindungselemente 912 aufweisen. Der MEMS-Beschleunigungsmesser 900 kann dazu ausgebildet sein, eine lineare Beschleunigung entlang einer, zwei oder drei Achsen und/oder eine Winkelbeschleunigung um eine, zwei oder drei Achsen zu erfassen. Die Anbindungselemente 928 können verwendet werden, um eine Bewegung des MEMS-Beschleunigungsmessers als Antwort auf eine lineare Beschleunigung zu ermöglichen, und die Anbindungselemente 912 können verwendet werden, um eine Bewegung des MEMS-Beschleunigungsmessers als Antwort auf eine Winkelbeschleunigung zu ermöglichen. Die Prüfmasse 901 und die Schiffchenmassen 920 und 922 können über einem darunterliegenden Substrat aufgehängt sein.
  • Die Anbindungselemente 912 können die Prüfmasse 901 elastisch mit einem Anker 910 koppeln. Die Anbindungselemente 912 können gemäß der Konfiguration von 6A oder 6B oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können mehrere Anker verwendet werden, um die Prüfmasse 901 mit dem Substrat zu verbinden. Die mehreren Anker können beispielsweise so angeordnet sein, wie es im Zusammenhang mit 5D beschrieben ist.
  • Die Prüfmasse 901 und die Schiffchenmassen 920 und 922 können (zumindest teilweise) aus einem leitenden Material wie etwa Silizium, dotiertem Silizium, Polysilizium oder dotiertem Polysilizium bestehen. Das Silizium- und/oder Polysilizium kann in einigen Ausführungsformen zwischen 1016 cm-3 und 5 × 1020 cm-3, in einigen Ausführungsformen zwischen 1018 cm-3 und 1020 cm-3, in einigen Ausführungsformen zwischen 5 × 1018 cm-3 und 5 × 1019 cm-3 oder zwischen beliebigen geeigneten Werten oder einem Bereich von Werten n-dotiert und/oder p-dotiert sein. Andere Werte sind ebenfalls möglich. Als Alternative können andere leitfähige Materialien verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 901 einen inneren Abschnitt 914 und einen äußeren Abschnitt 916 aufweisen. Der innere Abschnitt 914 und der äußere Abschnitt 916 können miteinander über Balken 915 verbunden sein. Der innere Abschnitt 914 kann über die Anbindungselemente 912 mit dem Anker 910 gekoppelt sein und der äußere Abschnitt 916 kann zumindest in einigen Ausführungsformen den inneren Abschnitt 914 darin umschließen.
  • Die Schiffchenmassen 920 und 922 können in einigen Ausführungsformen zwischen dem inneren Abschnitt 914 und dem äußeren Abschnitt 916 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Schiffchenmasse zwischen benachbarten Balken 915 angeordnet sein. Die Schiffchenmassen 920 und 922 können über Anbindungselemente 928 mit der Prüfmasse 901 elastisch gekoppelt sein. Die Anbindungselemente können jeweilige Schiffchenmassen mit Balken 915 oder einem äußeren Abschnitt 916 verbinden. Die Schiffchenmassen 920 und 922 können dazu ausgebildet sein, eine lineare Beschleunigung zu erfassen, wie es weiter unten beschrieben ist. Zu diesem Zweck können die Schiffchenmassen 920 einen Sensor 924 aufweisen und die Schiffchenmassen 922 können einen Sensor 926 aufweisen.
  • Die Anbindungselemente 928 können eine Drehachse für eine Schiffchenmasse definieren. Zum Beispiel ist eine der Schiffchenmassen 920 so dargestellt, dass sie eine Drehachse 929 aufweist. Die Drehachse kann dazu ausgebildet sein, eine jeweilige Schiffchenmasse in ein Paar Massenabschnitte MP1 und MP2 aufzuteilen. Der Massenabschnitt MP1 kann eine Seite einer Schiffchenmasse in Bezug auf die Drehachse definieren. Der Massenabschnitt MP2 kann die gegenüberliegende Seite definieren. In einigen Ausführungsformen können die Massenabschnitte MP1 und MP2 relativ zueinander unterschiedliche Gewichte aufweisen. Auf diese Weise können sich die Schiffchenmassen dann, wenn der MEMS-Beschleunigungsmesser 900 eine lineare Beschleunigung entlang der z-Achse erfährt, aus der Ebene um die entsprechende Drehachse 929 drehen, da der Schwerpunkt der Schiffchenmasse von der Drehachse versetzt ist.
  • Zuerst wird die Detektion der linearen x-Achsen-Beschleunigung diskutiert. Eine lineare x-Achsen-Beschleunigung kann zumindest in einigen Ausführungsformen durch Erfassen der Bewegung von Schiffchenmassen 920 in der x-Achse relativ zu dem Substrat erfasst werden. Eine repräsentative Anordnung zum Erfassen der linearen x-Achsen-Beschleunigung auf diese Weise ist in 10A dargestellt. Der Klarheit halber sind in 10A nur die Schiffchenmassen 920 und ein Abschnitt der Prüfmasse 901 dargestellt. Bei Anwesenheit einer Beschleunigung ax, die entlang der x-Achse gerichtet ist, können sich die Schiffchenmassen 920 relativ zu dem Substrat bewegen. In einigen Ausführungsformen ist das Gewicht einer Schiffchenmasse 920 geringer als das Gewicht der Prüfmasse 901. Auf diese Weise kann die Impulserhaltung bewirken, dass sich die Schiffchenmasse relativ zu der Prüfmasse bewegt. Die Bewegung der Schiffchenmassen relativ zu der Prüfmasse kann durch das Vorhandensein von Anbindungselementen 928 ermöglicht werden, die sich relativ zu ihrer natürlichen Position verbiegen können.
  • Die Bewegung der Schiffchenmassen relativ zu dem Substrat kann unter Verwendung eines Sensors 924 erfasst werden, der in dem nicht einschränkenden Beispiel von 10A Finger 934 und feste Elektroden 932 aufweist. Die festen Elektroden 932 können an dem Substrat verankert sein und daher bei Anwesenheit einer x-Achsen-Beschleunigung in Ruhe bleiben. Die Finger 934 und die feste Elektrode 932 können mehrere Erfassungskondensatoren bilden. Die Bewegung der Schiffchenmasse 920 kann erfasst werden, um Variationen in der Kapazität solcher Kondensatoren zu detektieren.
  • Die Detektion der linearen y-Achsen-Beschleunigung ay kann auf ähnliche Weise durchgeführt werden, wie es in 10B dargestellt ist. In diesem Beispiel können sich die Schiffchenmassen 922, die in einigen Ausführungsformen schwerer als die Prüfmasse 901 sind, entlang der y-Achse relativ zu dem Substrat bewegen. Die Bewegung der Schiffchenmassen 922 kann erfasst werden, indem Variationen in der Kapazität der Kondensatoren detektiert werden, die durch die Finger 938 und die festen Elektroden 936 gebildet werden.
  • Die Anbindungselemente 928 können auf verschiedene Arten implementiert sein. Zum Beispiel kann ein Anbindungselement 928 einen oder mehrere Balken aufweisen, die dazu ausgebildet sind, sich als Antwort auf eine Beschleunigung zu drehen und/oder zu biegen. Eine mögliche Implementierung eines Anbindungselements 928 ist in 11 gezeigt. Wie dargestellt kann das Anbindungselement 928 einen Balken 970 aufweisen, der die Prüfmasse 901 mit der Schiffchenmasse 922 verbindet. Die Schiffchenmasse 922 kann eine Ausnehmung 972 aufweisen und ein Ende des Balkens 970 kann mit einem Abschnitt der Schiffchenmasse innerhalb der Ausnehmung verbunden sein. Der Balken 970 kann sich biegen, um eine Bewegung der Schiffchenmasse entlang der y-Achse zu ermöglichen, und/oder kann sich drehen, um eine Drehung der Schiffchenmasse um die x-Achse zu ermöglichen.
  • Die Detektion der linearen z-Achsen-Beschleunigung kann durchgeführt werden, indem Drehungen der Schiffchenmassen erfasst werden, wie es in 12 dargestellt ist. 12 zeigt als Querschnittsansicht des MEMS-Beschleunigungsmessers 900 in der xz-Ebene einen Abschnitt der Prüfmasse 901 mit dem äußeren Abschnitt 916 und dem inneren Abschnitt 914 und eine Schiffchenmasse 920. Wie dargestellt trennt die Drehachse 929 die Schiffchenmasse 920 in Massenabschnitt MP1 und MP2. In dieser Konfiguration ist der Massenabschnitt MP2 schwerer als der Massenabschnitt MP1 (wobei MP2 eine größere Oberfläche relativ zu MP2 aufweist), obwohl die umgekehrte Anordnung ebenfalls möglich ist. In den Ausführungsformen, in denen die Massenabschnitte unterschiedliche Gewichte haben, ist der Schwerpunkt der Schiffchenmasse relativ zu der Drehachse 929 versetzt. Als Ergebnis kann sich die Schiffchenmasse dann, wenn eine Beschleunigung az ausgeübt wird, um die Drehachse 929 drehen. Diese Drehung kann bewirken, dass sich der Massenabschnitt MP1 näher an das Substrat 990 bewegt und der Massenabschnitt MP2 weiter weg von dem Substrat 990 bewegt oder umgekehrt.
  • Die Drehung der Schiffchenmasse kann durch Erfassen der Variation des Abstandes zwischen den Massenabschnitten und dem Substrat erfasst werden. Dies kann zumindest in einigen Ausführungsformen erreicht werden, indem Kondensatoren zwischen den Schiffchenmassen und den auf dem Substrat angeordneten Elektroden ausgebildet werden. Zum Beispiel kann ein Kondensator CLZ1 zwischen dem Massenabschnitt MP1 (der als eine erste Elektrode dienen kann) und der Elektrode 952 ausgebildet sein. In ähnlicher Weise kann ein Kondensator CLZ2 zwischen dem Massenabschnitt MP2 und der Elektrode 950 ausgebildet sein. Die Kondensatoren CLZ1 und CLZ2 können dazu ausgebildet sein, eine lineare z-Achsen-Beschleunigung in einer differenziellen Weise zu erfassen. Wenn die Kapazität eines dieser Kondensatoren zunimmt, kann die Kapazität der anderen Kondensatoren abnehmen. Da sie differenziell angeordnet sind, können die von den Kondensatoren erzeugten Signale unempfindlich gegenüber Gleichtaktsignalen (wie beispielsweise Signalen, die aufgrund von Substratverformungen erzeugt werden) sein.
  • 12 zeigt ferner eine Elektrode 954, die zum Erfassen einer Winkelbeschleunigung verwendet werden kann, wie es weiter unten beschrieben ist. In einigen Ausführungsformen liegt die Elektrode 954 relativ zu der Elektrode 950 und/oder der Elektrode 952 näher an dem Anker 910.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Detektion der Winkelbeschleunigung um die x-Achse und/oder die y-Achse durch Erfassen der Bewegung der Prüfmasse 901 aus der Ebene erfasst werden. Beispielsweise ist die Detektion der Winkelbeschleunigung um die y-Achse herum in 13 dargestellt. Es sollte klar sein, dass die Detektion der Winkelbeschleunigung um die x-Achse auf ähnliche Weise durchgeführt werden kann. Bei Vorliegen einer Winkelbeschleunigung um die y-Achse kann sich die Prüfmasse 901 derart drehen, dass sich eine Seite näher an das Substrat 990 heranbewegt und die gegenüberliegende Seite sich von diesem wegbewegt (wie in 13 gezeigt). Die Drehung der Prüfmasse kann durch das Vorhandensein von Anbindungselementen 912 ermöglicht werden. Da die Anbindungselemente 912 elastisch sind, können sie die Prüfmasse in ihre natürliche oder ruhende Position bringen, wenn der MEMS-Beschleunigungsmesser nicht länger der Winkelbeschleunigung unterliegt.
  • Eine solche Winkelbeschleunigung kann unter Verwendung der Kondensatoren Cay1 und Cay2 erfasst werden. Der Kondensator Cay1 kann zwischen der Elektrode 954 und der Schiffchenmasse 920 und/oder dem inneren Abschnitt 914 ausgebildet sein. In ähnlicher Weise können die Kondensatoren Cay2 zwischen der Elektrode 956 und der Schiffchenmasse 920 und/oder dem inneren Abschnitt 914 ausgebildet sein. Wie dargestellt können Differenzsignale als Antwort auf eine Winkel-y-Achsenbeschleunigung aufgrund der Tatsache erzeugt werden, dass dann, wenn die Kapazität des Kondensators Cay1 zunimmt, die Kapazität des Kondensators Cay2 abnimmt (oder umgekehrt).
  • Es sollte erkannt werden, dass sich in einigen Ausführungsformen die Schiffchenmassen 920 aufgrund der Winkelbeschleunigung um die y-Achse um die jeweiligen Drehachsen 929 drehen können. Diese Drehungen können jedoch als Gleichtaktsignale verworfen werden.
  • Zum Beispiel können die von den Kondensatoren CLz1, CLz2, CLz1' und CLz2' als Antwort auf eine Winkelbeschleunigung erzeugten Signale so kombiniert werden, dass sie sich gegenseitig auslöschen und ein von null verschiedener Wert als Antwort auf eine lineare z-Achsen-Beschleunigung ausgegeben wird.
  • Die Winkelbeschleunigung um die z-Achse kann unter Verwendung von Kondensatoren erfasst werden, die zwischen den Fingern 916 und den festen Elektroden 918 ausgebildet sind. Unter erneuter Bezugnahme auf 9 können die Finger 916 ein Ende, das mit einem äußeren Rand der Prüfmasse 901 verbunden ist, und ein freies Ende aufweisen. Das freie Ende kann allgemein in eine Richtung von dem Anker 910 weg zeigen. Feste Elektroden 918 können an dem Substrat verankert sein. In anderen Ausführungsformen können die Finger im Allgemeinen in Richtung des Ankers 910 zeigen, wie in dem nicht einschränkenden Beispiel von 14 dargestellt. In dieser Anordnung sind Finger 960 innerhalb einer Öffnung 970 in der Prüfmasse 901 ausgebildet. Entsprechende feste Elektroden 962 können benachbart zu den Fingern 960 angeordnet sein. Variationen in der Kapazität der Kondensatoren, die zwischen den Fingern 960 und den festen Elektroden 962 ausgebildet sind, können eine Angabe der z-Achsen-Winkelbeschleunigung, die der MEMS-Beschleunigungsmesser erfährt, liefern.
  • MEMS-Beschleunigungsmesser der hierin beschriebenen Typen können einen Teil von verschiedenen Systemen mit Anwendungen auf einer Vielzahl von Gebieten wie unter anderem in Sport-, Militär-, Gesundheits- und Industrieeinrichtungen (z. B. Maschinenzustandsüberwachung) bilden. Die verschiedenen Systeme können Teil eines Internets-der-Dinge-Netzes sein oder in diesem verwendet werden. Beispiele solcher Systeme und Anwendungen werden nun beschrieben.
  • 15 ist ein Blockdiagramm, das ein System 1500 darstellt, das als ein 2-Achsen-Trägheitssensor, 3-Achsen-Trägheitssensor, 4-Achsen-Trägheitssensor, 5-Achsen-Trägheitssensor und/oder 6-Achsen-Trägheitssensor ausgebildet sein kann. Das System 1500 kann einen MEMS-Beschleunigungsmesser 1502, eine Leistungseinheit 1504, eine Erfassungsschaltungsanordnung 1506 und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (I/O-Schnittstelle) 1508 aufweisen. Der MEMS-Beschleunigungsmesser 1502 kann als einer der oben beschriebenen MEMS-Beschleunigungsmesser implementiert sein. In einigen Ausführungsformen können die Erfassungsschaltungsanordnung 1506 und der MEMS-Beschleunigungsmesser 1502 auf dem gleichen Substrat wie etwa einem Siliziumsubstrat angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen können die Erfassungsschaltungsanordnung 1506 und der MEMS-Beschleunigungsmesser 1502 auf getrennten Substraten angeordnet sein, die miteinander verbunden und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse verpackt sein können.
  • Die Erfassungsschaltungsanordnung 1506 kann dazu ausgebildet sein, eine (Linear- und/oder Winkel-) Beschleunigung zu erfassen, beispielsweise durch Abbilden von Kapazitätsschwankungen auf die Größe der Beschleunigung. Die Erfassungsschaltungsanordnung 1506 kann einen Verstärker, einen Analog/DigitalUmsetzer, einen Speicher, einen Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder andere analoge und/oder digitale Schaltungen aufweisen.
  • Das System 1500 kann periodisch über drahtgebundene Verbindungen oder auf drahtlose Weise Signale, die eine erfasste Winkel- und/oder Linearbeschleunigung angeben, an ein externes Überwachungssystem wie beispielsweise einen Computer, ein Smartphone, ein Tablet, eine intelligente Uhr, eine intelligente Brille oder jede andere geeignete Empfangsvorrichtung senden. Die I/O-Schnittstelle 1508 kann zum Senden und/oder Empfangen von Daten über Wi-Fi, Bluetooth, Niederenergie-Bluetooth (BLE), Zigbee, Thread, ANT, ANT+, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11.ah oder irgendein anderes geeignetes drahtloses Kommunikationsprotokoll ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die I/O-Schnittstelle 1508 dazu ausgebildet sein, Daten unter Verwendung von proprietären Verbindungsprotokollen zu senden und/oder zu empfangen. Die I/O-Schnittstelle 1508 kann eine oder mehrere Antennen wie etwa eine Mikrostreifenantenne aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die I/O-Schnittstelle 1508 mit einem Kabel verbunden sein und kann dazu ausgebildet sein, Signale über das Kabel zu senden und/oder zu empfangen.
  • Das System 1500 kann unter Verwendung der Leistungseinheit 1504 mit Leistung versorgt werden. Die Leistungseinheit 1504 kann zum Versorgen der Erfassungsschaltungsanordnung 1506, der I/O-Schnittstelle 1508 und/oder des MEMS-Beschleunigungsmessers 1502 ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Leistungseinheit 1504 eine oder mehrere Batterien aufweisen. Das System 1500 kann zumindest in einigen Ausführungsformen so wenig Leistung aufnehmen, dass sein Betrieb für ausgedehnte Zeiträume allein basierend auf der Batterieleistung ermöglicht wird. Die Batterie(n) können in einigen Ausführungsformen wiederaufladbar sein. Die Leistungseinheit 1504 kann eine oder mehrere Lithiumionenbatterien, Lithium-Polymer-Batterien (LiPo-Batterien), superkondensatorbasierte Batterien, Alkalibatterien, Aluminiumionenbatterien, Quecksilberbatterien, Trockenzellenbatterien, Zink-Kohle-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Graphen-Batterien oder andere geeignete Arten von Batterien aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Leistungseinheit 1504 eine Schaltungsanordnung zum Umsetzen von Wechselstrom in Gleichstrom aufweisen. Zum Beispiel kann die Leistungseinheit 1504 Wechselstrom von einer Stromquelle außerhalb des Systems 1500 empfangen, beispielsweise über die I/O-Schnittstelle 1508, und kann einige oder alle Komponenten des Systems 1500 mit Gleichstrom versorgen. In solchen Fällen kann die Leistungseinheit 1504 einen Gleichrichter, einen Spannungsregler, einen Gleichspannungsumsetzer oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung zur Leistungsumsetzung aufweisen.
  • Die Leistungseinheit 1504 kann in einigen Ausführungsformen Energiegewinnungskomponenten und/oder Energiespeicherkomponenten aufweisen. Energie kann aus der umgebenden Umwelt gewonnen werden und gespeichert werden, um das System 1500 bei Bedarf mit Energie zu versorgen, was periodische, zufällige oder kontinuierliche Energieversorgung einschließen kann. Die Art der implementierten Energiegewinnungskomponenten kann basierend auf der erwarteten Umgebung des Systems 1500 ausgewählt werden, beispielsweise basierend auf der erwarteten Größe und Häufigkeit der Bewegung, die das System 1500 wahrscheinlich erfährt, der Menge an mechanischer Spannung, die das System wahrscheinlich erfährt, der Menge an Licht, der das System voraussichtlich ausgesetzt ist, und/oder der/n Temperatur(en), denen das System wahrscheinlich ausgesetzt ist, neben anderen möglichen Erwägungen. Beispiele für geeignete Energiegewinnungstechnologien weisen die Gewinnung von thermoelektrischer Energie, die Gewinnung aus magnetischen Schwingungen, die Gewinnung aus elektrischer Überspannung, photovoltaische Gewinnung, Hochfrequenzgewinnung und die Gewinnung kinetischer Energie auf. Die Energiespeicherkomponenten können in einigen Ausführungsformen Superkondensatoren aufweisen.
  • Das System 1500 kann in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, um Linear- und/oder Winkelbeschleunigung zu erfassen, einschließlich unter anderem für Sport-, Gesundheits-, Militär- und Industrieanwendungen. Einige nicht einschränkende Beispiele werden nun beschrieben. Ein System 1500 kann ein am Körper tragbarer Sensor sein, der bei der Überwachung sportbezogener körperlicher Aktivität und des Leistungsvermögens, der Patientengesundheit, Aktivitäten militärischen Personals oder in anderen Anwendungen, die für einen Anwender von Interesse sind, eingesetzt werden.
  • Eine solche Umgebung ist in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen wie Booten und Flugzeugen. 16 zeigt ein Beispiel, in dem ein Sensorsystem der hierin beschriebenen Typen in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Im Beispiel von 16 weist ein Kraftfahrzeug 1600 eine Steuereinheit 1601 auf, die über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung mit einem Bordcomputer 1604 des Fahrzeugs verbunden ist. Die Steuereinheit 1601 kann das System 1500 von 15 aufweisen. Das System 1500 kann eine Baugruppe oder ein Gehäuse aufweisen, das an einem geeigneten Teil des Kraftfahrzeugs 1600 angebracht ist. Der MEMS-Beschleunigungsmesser des Systems 1500 kann beispielsweise eine Beschleunigung entlang der Fahrtrichtung und/oder senkrecht zu der Fahrtrichtung erfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der MEMS-Beschleunigungsmesser dazu ausgebildet sein, die vertikale Beschleunigung zu erfassen, wodurch beispielsweise der Status der Aufhängungen überwacht wird. Zusätzlich oder alternativ kann der MEMS-Beschleunigungsmesser dazu ausgebildet sein, eine Winkelbeschleunigung (z. B. Roll-, Nick- und/oder Gierbeschleunigung) zu erfassen, um beispielsweise die Stabilität des Autos zu überwachen. Die Steuereinheit 1601 kann Leistungs- und Steuersignale von dem Bordcomputer 1604 empfangen, der Informationen an den Fahrer ausgeben kann, die eine Linear- und/oder Winkelbeschleunigung angeben.
  • Als weiteres Beispiel kann das System 1500 in Kathetern verwendet werden. Das System 1500 kann nahe einem Ende des Katheters angeordnet sein. Wenn der Katheter in einen Patienten eingeführt oder aus diesem entfernt wird, kann eine Winkel- und Linearbeschleunigung durch den MEMS-Beschleunigungsmesser 1502 detektiert werden. Diese Informationen können eine Angabe über die Menge der verwendeten Kraft und beispielsweise darüber, ob sich ein Schaden für den Patienten ergeben wird, liefern. Die Erfassungsschaltungsanordnung 1506 kann die detektierte Beschleunigung über die I/O-Schnittstelle 1508 aus dem Katheter bereitstellen. 17 stellt einen Katheter 1710 zur Verwendung in Verbindung mit einem Patientenherzen 1701 dar. Der Katheter 1710 kann eine Vorrichtung 1712 aufweisen, die das System 1500 aufweisen kann. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 1712 an einem Ende des Katheters 1710 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann der Katheter 1710 in Kontakt mit dem Herz 1701 gebracht werden und kann dazu ausgebildet werden, Herzbewegung und/oder Herzfrequenz unter Verwendung eines Winkel-MEMS-Beschleunigungsmessers 1502 zu erfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Katheter 1710 in ein Gefäß, das zum Herz 1701 führt, eingesetzt werden, wie z. B. das Gefäß 1702. Obwohl 17 einen Katheter 1710 zur Verwendung in Verbindung mit einem Herzen darstellt, können Bewegungen eines anderen geeigneten Organs unter Verwendung des Katheters 1710 erfasst werden.
  • Aspekte der vorliegenden Anmeldung können einen oder mehrere Vorteile bieten, von denen einige vorstehend beschrieben worden sind. Nun werden einige nicht einschränkende Beispiele für solche Vorteile beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass nicht alle Aspekte und Ausführungsformen notwendigerweise alle Vorteile bereitstellen, die nun beschrieben sind. Ferner sollte klar sein, dass Aspekte der vorliegenden Anmeldung zusätzliche Vorteile zu den nun beschriebenen bieten können.
  • Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen MEMS-Beschleunigungsmesser bereit, die dazu ausgebildet sind, Linear- und Winkelbeschleunigung unter Verwendung einer einzelnen Vorrichtung zu erfassen. Im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen können die MEMS-Beschleunigungsmesser des hier beschriebenen Typs kompakter sein, wodurch der Platzbedarf auf einem Substrat verringert wird. Zusätzlich können die MEMS-Beschleunigungsmesser der hierin beschriebenen Typen eine Reduzierung der Herstellungskosten ermöglichen da sich die Linear-Erfassungselementen und die Winkel-Erfassungselemente Fertigungsschritte teilen können.
  • Ein Mikroelektromechaniksystem-Beschleunigungsmesser (MEMS-Beschleunigungsmesser) ist beschrieben. Der MEMS-Beschleunigungsmesser kann dazu ausgebildet sein, eine lineare Beschleunigung entlang einer, zwei oder drei Achsen zu erfassen und eine Winkelbeschleunigung um eine, zwei oder drei Achsen zu erfassen. Daher kann der MEMS-Beschleunigungsmesser als 2-Achsen-, 3-Achsen-, 4-Achsen-, 5-Achsen- oder 6-Achsen-Trägheitsbeschleunigungsmesser dienen. In einigen Ausführungsformen kann der MEMS-Beschleunigungsmesser eine einzelne Masse aufweisen, die über mehrere Anbindungselemente mit mindestens einem Anker verbunden ist. In anderen Ausführungsformen kann der MEMS-Beschleunigungsmesser eine Prüfmasse, die über mehrere Anbindungselemente mit mindestens einem Anker verbunden ist, und eine oder mehrere mit der Prüfmasse über mehrere zweite Anbindungselemente verbundene Schiffchenmassen aufweisen. Die Dreh- und Linearbewegung des MEMS-Beschleunigungsmessers kann unter Verwendung kapazitiver Sensoren erfasst werden.

Claims (10)

  1. Winkel-und-Linear-Beschleunigungsmesser, der aufweist: - mindestens einen Anker (503), der mit einem Substrat (501) verbunden ist; - eine Prüfmasse (200), die über mehrere Anbindungselemente (232) mit dem mindestens einen Anker (503) verbunden ist; - einen ersten Kondensator (CAz), der dazu ausgebildet ist, als Antwort auf eine Drehbewegung der Prüfmasse (200) ein erstes Erfassungssignal zu erzeugen; - einen zweiten Kondensator (CLz), der dazu ausgebildet ist, als Antwort auf eine lineare Bewegung der Prüfmasse (200) ein zweites Erfassungssignal zu erzeugen, und - einen Referenzbalken (236), der über eine feste Struktur (235) mit dem Substrat (501) verbunden ist, und einen Referenzkondensator (Cref), der aus einer Referenzelektrode (702), die auf dem Substrat (501) angeordnet ist, und dem Referenzbalken (236) gebildet ist, wobei der zweite Kondensator (CLz) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Prüfmasse (200) aus einer Ebene (xy) der Oberfläche der Prüfmasse (200) heraus als Antwort auf eine lineare Beschleunigung zu erfassen, und wobei der zweite Kondensator (CLz) aus einer Elektrode (700), die auf dem Substrat (501) angeordnet ist, und einem Abschnitt der Prüfmasse (200) ausgebildet ist.
  2. Winkel-und-Linear-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, wobei der erste Kondensator (CAz) eine feste Elektrode (313, 314), die mit dem Substrat (501) verbunden ist, und einen Balken (216) mit freiem Ende, der mit der Prüfmasse (200) gekoppelt ist, aufweist.
  3. Winkel-und-Linear-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, wobei die Prüfmasse (200) eine Mitte und einen Massenabschnitt (201) mit einem Außenumfang (202) aufweist und wobei der Balken (216) mit freiem Ende ein festes Ende in der Nähe des Umfangs (202) und ein freies Ende in der Nähe der Mitte aufweist.
  4. Winkel-und-Linear-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, wobei die feste Elektrode (313, 314) eine erste feste Elektrode ist und der Balken (216) mit freiem Ende ein erster Balken mit freiem Ende ist und wobei der zweite Kondensator (CLz) eine zweite feste Elektrode, die mit dem Substrat (501) verbunden ist, und einen zweiten Balken mit freiem Ende, der mit der Prüfmasse (200) gekoppelt ist, aufweist.
  5. Winkel-und-Linear-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, wobei der zweite Balken mit freiem Ende ein festes Ende und ein freies Ende aufweist, wobei das feste Ende des zweiten Balkens mit freiem Ende relativ zu der Mitte der Prüfmasse (200) näher liegt als das freie Ende des zweiten Balkens mit freiem Ende.
  6. Winkel-und-Linear-Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kondensator (CAz) dazu ausgebildet ist, die Bewegung der Prüfmasse (200) aus der Ebene (xy) heraus als Antwort auf eine Winkelbeschleunigung zu erfassen, und wobei der erste Kondensator (CAz) aus einer Elektrode, die auf dem Substrat angeordnet ist, und einem Abschnitt der Prüfmasse (200) ausgebildet ist.
  7. Verfahren zum Erfassen von Winkel- und Linearbeschleunigung, wobei das Verfahren aufweist: - Anordnen eines Referenzbalkens (236) über eine feste Struktur (235) auf einem Substrat (501) und Anordnen einer Referenzelektrode (702) auf dem Substrat (501), um aus dem Referenzbalken (236) und der Referenzelektrode (702) einen Referenzkondensator (Cref) zu bilden, - Erfassen einer Drehbewegung einer Prüfmasse (200), die über mindestens einen Anker mit einem Substrat verbunden ist, durch Erzeugen eines ersten Erfassungssignals als Antwort auf eine Winkelbeschleunigung um eine erste Drehachse (z-Achse) durch einen ersten Erfassungskondensator (CAz) und - Erfassen einer linearen Bewegung der Prüfmasse (200) aus einer Ebene (xy) der Oberfläche der Prüfmasse (200) heraus durch Erzeugen eines zweiten Erfassungssignals als Antwort auf eine lineare Beschleunigung entlang einer ersten Achse (z-Achse) durch einen zweiten Erfassungskondensator (CLz), der aus einer Elektrode (700), die auf dem Substrat (501) angeordnet ist, und einem Abschnitt der Prüfmasse (200) ausgebildet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner ein Erfassen einer linearen Bewegung der Prüfmasse (200) durch Erzeugen eines dritten Erfassungssignals als Antwort auf eine lineare Beschleunigung entlang einer zweiten Achse (x-Achse), die sich von der ersten Achse (z-Achse) unterscheidet, durch einen dritten Erfassungskondensator aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, das ferner ein Erfassen einer Winkelbewegung der Prüfmasse durch Erzeugen eines dritten Erfassungssignals als Antwort auf eine Winkelbeschleunigung entlang einer zweiten Drehachse (x-Achse), die sich von der ersten Drehachse (z-Achse) unterscheidet, durch einen dritten Erfassungskondensator aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein Erfassen einer Winkelbewegung der Prüfmasse (200) durch Erzeugen eines vierten Erfassungssignals als Antwort auf eine Winkelbeschleunigung entlang einer dritten Drehachse (y-Achse), die sich von der ersten (z-Achse) und der zweiten Drehachse (x-Achse) unterscheidet, durch einen vierten Erfassungskondensator aufweist.
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