DE102018217841A1 - Mikromechanischer Inertialsensor - Google Patents

Mikromechanischer Inertialsensor Download PDF

Info

Publication number
DE102018217841A1
DE102018217841A1 DE102018217841.0A DE102018217841A DE102018217841A1 DE 102018217841 A1 DE102018217841 A1 DE 102018217841A1 DE 102018217841 A DE102018217841 A DE 102018217841A DE 102018217841 A1 DE102018217841 A1 DE 102018217841A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
inertial sensor
micromechanical
electrodes
seismic mass
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018217841.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Samu Horvath
Laszlo Gogh
Laszlo Cseko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102018217841.0A priority Critical patent/DE102018217841A1/de
Priority to CN201910992349.0A priority patent/CN111071982B/zh
Publication of DE102018217841A1 publication Critical patent/DE102018217841A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0086—Electrical characteristics, e.g. reducing driving voltage, improving resistance to peak voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00301—Connecting electric signal lines from the MEMS device with external electrical signal lines, e.g. through vias
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/033—Comb drives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/051—Translation according to an axis parallel to the substrate
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0831—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type having the pivot axis between the longitudinal ends of the mass, e.g. see-saw configuration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

Mikromechanischer Inertialsensor, aufweisend:- ein Substrat (1);- eine seismische Masse (10);- eine definierte Anzahl von Detektionselektroden (20, 21) zum Detektieren einer Auslenkung der seismischen Masse (10) durch ein funktionales Zusammenwirken der seismischen Masse (10) mit den Detektionselektroden (20, 21); und- eine definierte Anzahl von Kompensationselektroden (30, 31) zum Generieren eines elektrischen Signals zum Kompensieren eines elektrischen Offsetsignals aufgrund von parasitärer Deformation des Substrats (1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Inertialsensor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors.
  • Stand der Technik
  • Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumerbereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (d.h. in z-Richtung) werden bevorzugt Wippenstrukturen genutzt. Das Sensorprinzip dieser Wippen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche seismische Masse mit zwei auf einem Substrat fixierten Gegenelektroden zwei Plattenkondensatoren bildet. Die seismische Masse ist über mindestens eine, aus Symmetriegründen üblicherweise zwei Torsionsfedern mit der Unterlage verbunden.
  • Sind die Massenstrukturen auf den beiden Seiten der Torsionsfeder unterschiedlich groß, so wird sich beim Einwirken einer z-Beschleunigung die Massestruktur relativ zur Torsionsfeder als Drehachse drehen. Damit wird der Abstand der Elektroden auf der Seite mit der größeren Masse kleiner und auf der anderen Seite größer. Die daraus resultierende Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Derartige Beschleunigungssensoren sind beispielsweise aus EP 0 244 581 A1 und EP 0 773 443 A1 bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten mikromechanischen Inertialsensor bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Inertialsensor, aufweisend:
    • - ein Substrat;
    • - eine seismische Masse;
    • - eine definierte Anzahl von Detektionselektroden zum Detektieren einer Auslenkung der seismischen Masse durch ein funktionales Zusammenwirken der seismischen Masse mit den Detektionselektroden; und
    • - eine definierte Anzahl von Kompensationselektroden zum Generieren eines elektrischen Signals zum Kompensieren eines elektrischen Offsetsignals aufgrund von parasitärer Deformation des Substrats.
  • Auf diese Weise wird ein gegenüber parasitären Deformationen verbesserter mikromechanischer Inertialsensor bereitgestellt. Erreicht wird dies dadurch, dass mittels der Kompensationselektroden ein elektrisches Kompensationssignal zur Kompensation von parasitärer Deformation des Substrats erzeugt wird. Im Ergebnis kann dadurch eine „elektrische Kompensation“ von parasitären Deformationen des mikromechanischen Inertialsensors erreicht werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors, aufweisend die Schritte:
    • - Bereitstellen eines Substrats;
    • - Bereitstellen einer seismischen Masse;
    • - Bereitstellen einer definierten Anzahl von Detektionselektroden zum Detektieren einer Auslenkung der seismischen Masse durch ein funktionales Zusammenwirken der seismischen Masse mit den Detektionselektroden; und
    • - Bereitstellen einer definierten Anzahl von Kompensationselektroden zum Generieren eines elektrischen Signals zum Kompensieren eines elektrischen Offsetsignals aufgrund von parasitärer Deformation des Substrats.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Inertialsensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Kompensationselektroden in definierten Bereichen, vorzugsweise Eckbereichen der Detektionselektroden angeordnet sind. Dadurch ist unterstützt, dass der Kompensationseffekt der Kompensationselektroden in Bereichen mit der größten parasitären Deformation des Substrats realisiert wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Kompensationselektroden ein ausgleichendes Ändern von Kapazitätswerten zwischen der seismischen Masse und den Detektionselektroden durchführbar ist. Dadurch wird durch die Kompensationselektroden ein Ausgleichen von durch die Bewegung der seismischen Masse verursachten Kapazitätsänderungen bewirkt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Kompensationselektroden gegensinnige elektrische Signale zu elektrischen Signalen der Detektionselektroden generierbar sind. Im Ergebnis wird dadurch die elektrische Kompensation der parasitären Offsetsignale aufgrund von parasitärer Deformation des Inertialsensors erreicht.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationselektroden und die Detektionselektroden in derselben mikromechanischen Funktionsschicht des Inertialsensors ausgebildet sind. Vorteilhaft ist dadurch ein Herstellungsprozess für die Detektionselektroden und für die Kompensationselektroden in einem identischen Arbeitsschritt möglich, wodurch für die Bereitstellung der Kompensationselektroden nur ein geringer Zusatzaufwand erforderlich ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass parasitäre Deformationen des Substrats und der Kompensationselektroden mittels Simulationsverfahren ermittelbar sind. Dadurch kann eine genaue Anpassung der Kompensationselektroden an die tatsächliche parasitäre Deformation erreicht werden, wobei die Genauigkeit der Auslegung umso höher ist, je besser und genauer die verwendeten Simulationsmethoden sind.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Inertialsensors sind dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor ein out-of-plane-Inertialsensor oder ein in-plane-Inertialsensor ist. Dadurch kann das erfindungsgemäße Konzept vorteilhaft auf unterschiedliche Arten von mikromechanischen Inertialsensoren angewendet werden.
  • 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 den mikromechanischen Inertialsensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors ergeben und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigt:
    • 1 eine Draufsicht auf einen konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensors;
    • 2 den konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor von 1 in einer perspektivischen Ansicht;
    • 3 einen stark vereinfachten konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor in zwei Querschnittsansichten;
    • 4 einen konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor in einem Gehäuse;
    • 5 eine prinzipielle Darstellung einer parasitären Verbiegung eines herkömmlichen mikromechanischen z-Inertialsensors;
    • 6, 7 simulationstechnische Darstellungen einer parasitären Verbiegung eines herkömmlichen mikromechanischen Inertialsensors;
    • 8, 9 simulationstechnische Darstellungen der mikromechanischen Inertialsensoren von 6 und 7 mit Kompensationselektroden;
    • 10 eine Draufsicht auf einen konventionellen mikromechanischen in-plane-Inertialsensor;
    • 11 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen in-plane-Inertialsensors mit Kompensationselektroden;
    • 12, 13 simulationstechnische Darstellung von Verbiegungen eines Substrats eines mikromechanischen Inertialsensors samt Kompensationselektroden;
    • 14 eine Draufsicht auf einen konventionellen mikromechanischen in-plane-Inertialsensor;
    • 15 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen in-plane-Inertialsensors mit Kompensationselektroden;
    • 16-18 prinzipielle Darstellungen von Deformationen eines Substrats eines mikromechanischen in-plane Inertialsensors, die kompensiert werden können;
    • 19, 20 prinzipielle Darstellungen von unkompensierten und kompensierten Ausgangssignalen von mikromechanischen Inertialsensoren; und
    • 21 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ein Kerngedanke der Erfindung ist es insbesondere, einen mikromechanischen Inertialsensor mit verbesserter Offsetstabilität und Sensiercharakteristik zu realisieren.
  • Die 1, 2 zeigen jeweils einen Kern 50 eines bekannten mikromechanischen z-Inertialsensors.
  • Man erkennt in einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildete Detektionselektroden 20, 21 und eine asymmetrisch ausgebildete seismische Masse 10 in Form einer Wippe, die um eine Torsionsachse 11 tordierbar ausgebildet ist. Derartige Inertialsensoren nach dem Wippenprinzip sind einfach konstruiert und weit verbreitet. Eine wesentliche Begrenzung der Offsetstabilität kann durch parasitäre Effekte hervorgerufen werden, die durch eine Verbiegung des Substrats verursacht werden.
  • Die beiden Ansichten von 3 zeigen ein Funktionsprinzip von mikromechanischen Beschleunigungssensoren. Aufgrund von Beschleunigung wird die seismische Masse 10 ausgelenkt, was in einer Änderung von Kapazitäten C1, C2 zwischen der seismischen Masse 10 und den Detektionselektroden 20, 21 im Substrat 1 resultiert. Angedeutet ist, dass aufgrund der Auslenkung der seismischen Masse 10 eine Kapazität C1 zwischen der seismischen Masse 10 und der Detektionselektrode C1 zunimmt und eine Kapazität C2 zwischen der seismischen Masse 10 und der Detektionselektrode 21 abnimmt. Aufgrund des Auslenkung der seismischen Masse 10 werden diese Kapazitätsänderungen ΔC erfasst und in einen Beschleunigungswert umgerechnet.
  • Allerdings treten in der Praxis zahlreiche parasitäre externe Effekte auf, die die gemessenen Kapazitäten C1, C2 beeinflussen können. Der Kern 50 des mikromechanischen Inertialsensors 100 ist in der Regel zwischen verschiedenen Schichten eines Gehäuses angeordnet, wie in 4 prinzipiell dargestellt, wo ein beispielhaftes BGA/LGA-Gehäuse des Inertialsensors dargestellt ist. Die Materialien der genannten Schichten können unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Im Ergebnis kann der Kern 50 im Gehäuse 60 z.B. durch externe Kräfte, Temperaturänderungen (unterschiedliche thermische Expansionen, Feuchtigkeitsabsorption („hygroskopisches Aufquellen“) usw. auf parasitäre und unerwünschte Weise deformiert werden.
  • In diesen Fällen ändern diese parasitären Deformationen die Kapazitäten C1, C2 zwischen der seismischen Masse 10 und den Detektionselektroden 20, 21 auch in Abwesenheit von zu messender mechanischer Beschleunigung, was in 5 in prinzipieller Weise und stark übertrieben angedeutet ist. Dies produziert ein parasitäres elektrisches Ausgangssignal, welches kein valides Signal des mikromechanischen Inertialsensors darstellt. Dieser Fehler wird als „Signaloffset“ bezeichnet, den im Prinzip alle mikromechanischen Beschleunigungssensoren produzieren.
  • Ein Kerngedanke der Erfindung ist es insbesondere, diesen Signaloffset zu minimieren.
  • 6 zeigt eine simulationstechnische Ansicht auf den Kern 50 des mikromechanischen Inertialsensors 100. Erkennbar ist ein Substrat 1, welches in parasitärer Weise aufgrund der oben genannten Effekte in eine sattelartige Form des Substrats 1' deformiert ist. Im Ergebnis entstehen dadurch ein Abstand d1 zwischen der ordnungsgemäßen Anordnung der Elektrode 20 am Substrat 1 und dem deformierten Substrat 1' sowie ein Abstand d2 zwischen der ordnungsgemäßen Anordnung der Elektrode 21 am Substrat 1 und dem deformierten Substrat 1'.
  • Die simulationstechnische Ansicht von 7 zeigt eine andere Art einer Deformation des Substrats 1, wobei sich in diesem Fall das Substrat 1 in eine deformierten Form 1' verändert. Die parasitären Effekte sind zwar dadurch gegenüber der Deformation des Substrats 1 von 6 nicht so ausgeprägt, aber dennoch vorhanden. Nicht in Figuren dargestellt, aber selbstverständlich auch möglich ist eine Kombination der Verformungsarten von 6 und 7.
  • 8 zeigt eine simulationstechnische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensors. Man erkennt, dass nunmehr im Bereich der Detektionselektroden 20, 21 Kompensationselektroden 30, 31 angeordnet sind, die das aufgrund der parasitären Verbiegung des Substrats 1 erzeugte elektrische Signal kompensieren bzw. minimieren. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Kompensationselektroden 30, 31 in den Eckbereichen der Detektionselektroden 20, 21 angeordnet sind, wo der parasitäre Effekt aufgrund der Deformation des Substrats 1 am stärksten ist. Denkbar ist aber auch, dass die Kompensationselektroden 30, 31 alternativ oder zusätzlich in anderen Bereichen der Detektionselektroden 20, 21 angeordnet sind (nicht in Figuren dargestellt).
  • Vorzugsweise sind die Detektionselektroden 20, 21 und die Kompensationselektroden 30, 31 in derselben Funktionsschicht des Inertialsensors angeordnet, können alternativ aber auch in unterschiedlichen Funktionsschichten angeordnet sein. Elektrisch sind die Kompensationselektrode 30 mit der Detektionselektrode 21 und die Kompensationselektrode 31 mit der Detektionselektrode 20 verschaltet.
  • Auf diese Weise wird ein ausbalanciertes Bereitstellen der Kapazitäten zwischen der seismischen Masse 10 und den Elektroden 20, 21, 30, 31 bereitgestellt bzw. werden von den Kompensationselektroden 30,31 gegensinnige Signale zu Signalen der Detektionselektroden 20, 21 erzeugt. Im Ergebnis können dadurch parasitäre elektrische Offsetsignale des mikromechanischen Inertialsensors weitgehend unterbunden werden.
  • 9 zeigt eine simulationstechnische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensors, die der konventionellen Anordnung von 7 entspricht. Auch in diesem Fall ist erkennbar, dass Kompensationselektroden 30 in Eckbereichen der Detektionselektroden 20 angeordnet sind und dass Kompensationselektroden 31 in Eckbereichen der Detektionselektroden 21 angeordnet sind. Auf diese Weise können die parasitären Effekte aufgrund der Deformierung des Substrats 1 weitgehend kompensiert bzw. wenigstens minimiert werden.
  • Das vorgeschlagene Kompensationsprinzip ist vorteilhaft nicht nur, wie bisher erläutert, auf mikromechanische out-of-plane-Inertialsensoren anwendbar, sondern auch auf mikromechanische in-plane-Inertialsensoren, bei denen sich die seismische Masse 10 in der Ebene bewegt.
  • 10 zeigt eine Draufsicht auf einen derartigen Inertialsensor. Man erkennt eine seismische Masse 10, die in x-Richtung auslenkbar ist und Detektionselektroden 20, 21 mit kammartigen Strukturen, die mit kammartigen Strukturen der seismischen Masse 10 funktional interagieren und dadurch die Auslenkung der seismischen Masse 10 erfassen und auswerten.
  • 11 zeigt eine Draufsicht auf den mikromechanischen Inertialsensor von 10 mit Kompensationselektroden 30, 31. Man erkennt, dass die Kompensationselektroden 30, 31 in Eckbereichen und in Ausschnitten des Zentralbereichs des Inertialsensors angeordnet sind, die die elektrischen Effekte der parasitären Auslenkung der seismischen Masse 10 kompensieren. Dabei sind die elektrischen Kompensationselektroden 31 elektrisch mit den Detektionselektroden 20 und die Kompensationselektroden 30 elektrisch mit den Detektionselektroden 21 verschaltet.
  • Die 12 und 13 zeigen nochmals simulationstechnisch das vorgeschlagene Prinzip mit Kompensationselektroden 30, 31. Man erkennt, dass in der Anordnung von 12 die Kompensationselektroden 30, 31 vorgesehen sind, die sattelförmige Verwölbung des Substrats 1 zu kompensieren und dass in der Anordnung von 13 die Kompensationselektroden 30, 31 vorgesehen sind, die wellenartige Verformung des Substrats 1 zu kompensieren. Gut erkennbar ist, dass die Kompensationselektroden 30, 31 jeweils in Eckbereichen der Detektionselektroden 20, 21 vorgesehen sind, um dadurch eine Effektivität einer Kompensationswirkung zu optimieren.
  • Die Draufsicht von 14 zeigt einen herkömmlichen mikromechanischen Inertialsensor, der in der Anordnung von 15 Kompensationselektroden 30, 31 aufweist. Eine geometrische Ausgestaltung der Kompensationselektroden 30, 31 wird vorzugsweise von simulationstechnischen Verfahren unterstützt, zum Beispiel mittels Finite-Elemente-Simulation, mit der die Kompensationselektroden 30, 31 sowie die parasitäre Deformation des mikromechanischen Inertialsensors bestmöglich ermittelt und dimensioniert werden.
  • Die 16 bis 18 zeigen auf prinzipielle Weise Arten von parasitären Auslenkungen der seismischen Masse 10, die mittels der Kompensationselektroden 30, 31 kompensiert werden können. Man erkennt, dass in 16 eine parasitäre Verschiebung in x-Richtung, in 17 eine parasitäre Verzerrung in y-Richtung und in 18 eine parasitäre, ungleichmäßige Verkrümmung des Substrats kompensierbar ist.
  • Die 19 und 20 zeigen Ausgangssignale S eines unkompensierten und eines erfindungsgemäß kompensierten mikromechanischen Inertialsensors.
  • 19 zeigt dabei einen Fall eines mikromechanischen out-of-plane-Inertialsensors, 20 zeigt die Verhältnisse bei einem in-plane-Inertialsensor bei verschiedenen Verformungen in x-, y-, xy1-, und xy2-Richtung, wobei die xy1 und xy2-Richtungen spezifische Deformationsanteile in x- und in y-Richtung enthalten.
  • Man erkennt in allen Fällen, dass bei Verwendung von Kompensationselektroden 30, 31 Amplituden von Ausgangssignalen S1K ... S4K der Inertialsensoren wesentlich geringer sind als Amplituden von Ausgangssignalen S1... S4 von konventionellen, unkompensierten mikromechanischen Inertialsensoren.
  • 21 zeigt in prinzipieller Weise einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen Inertialsensors 100.
  • In einem Schritt 200 wird ein Substrat 1 bereitgestellt.
  • In einem Schritt 210 wird eine seismische Masse 10 bereitgestellt.
  • In einem Schritt 220 wird ein Bereitstellen einer definierten Anzahl von Detektionselektroden 20, 21 zum Detektieren einer Auslenkung der seismischen Masse 10 durch ein funktionales Zusammenwirken der seismischen Masse 10 mit den Detektionselektroden 20, 21 durchgeführt.
  • In einem Schritt 230 wird ein Bereitstellen einer definierten Anzahl von Kompensationselektroden 30, 31 zum Generieren eines elektrischen Signals zum Kompensieren eines elektrischen Offsetsignals aufgrund von parasitärer Deformation des Substrats 1 durchgeführt.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0244581 A1 [0003]
    • EP 0773443 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Mikromechanischer Inertialsensor (100), aufweisend: - ein Substrat (1); - eine seismische Masse (10); - eine definierte Anzahl von Detektionselektroden (20, 21) zum Detektieren einer Auslenkung der seismischen Masse (10) durch ein funktionales Zusammenwirken der seismischen Masse (10) mit den Detektionselektroden (20, 21); und - eine definierte Anzahl von Kompensationselektroden (30, 31) zum Generieren eines elektrischen Signals zum Kompensieren eines elektrischen Offsetsignals aufgrund von parasitärer Deformation des Substrats (1).
  2. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationselektroden (30, 31) in definierten Bereichen, vorzugsweise Eckbereichen der Detektionselektroden (20, 21) angeordnet sind.
  3. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kompensationselektroden (30, 31) ein ausgleichendes Ändern von Kapazitätswerten zwischen der seismischen Masse und den Detektionselektroden (20, 21) durchführbar ist.
  4. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels die Kompensationselektroden (30, 31) gegensinnige elektrische Signale zu elektrischen Signalen der Detektionselektroden (20, 21) generierbar sind.
  5. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationselektroden (30, 31) und die Detektionselektroden (20, 21) in derselben mikromechanischen Funktionsschicht des Inertialsensors ausgebildet sind.
  6. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parasitäre Deformationen des Substrats (1) und die Kompensationselektroden (30, 31) mittels Simulationsverfahren ermittelbar sind.
  7. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor ein out-of-plane-Inertialsensor oder ein in-plane-Inertialsensor ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensor (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Substrats (1); - Bereitstellen einer seismischen Masse (10); - Bereitstellen einer definierten Anzahl von Detektionselektroden (20, 21) zum Detektieren einer Auslenkung der seismischen Masse (10) durch ein funktionales Zusammenwirken der seismischen Masse (10) mit den Detektionselektroden (20, 21); und - Bereitstellen einer definierten Anzahl von Kompensationselektroden (30, 31) zum Generieren eines elektrischen Signals zum Kompensieren eines elektrischen Offsetsignals aufgrund von parasitärer Deformation des Substrats (1).
DE102018217841.0A 2018-10-18 2018-10-18 Mikromechanischer Inertialsensor Pending DE102018217841A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018217841.0A DE102018217841A1 (de) 2018-10-18 2018-10-18 Mikromechanischer Inertialsensor
CN201910992349.0A CN111071982B (zh) 2018-10-18 2019-10-18 微机械惯性传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018217841.0A DE102018217841A1 (de) 2018-10-18 2018-10-18 Mikromechanischer Inertialsensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018217841A1 true DE102018217841A1 (de) 2020-04-23

Family

ID=70310482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018217841.0A Pending DE102018217841A1 (de) 2018-10-18 2018-10-18 Mikromechanischer Inertialsensor

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN111071982B (de)
DE (1) DE102018217841A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020210135A1 (de) 2020-08-11 2022-02-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikroelektromechanisches System, Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Systems
WO2022264816A1 (ja) * 2021-06-16 2022-12-22 ローム株式会社 加速度センサ

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0244581A1 (de) 1986-04-04 1987-11-11 Robert Bosch Gmbh Sensor zur selbsttätigen Auslösung von Insassenschutzvorrichtungen
EP0773443A1 (de) 1995-11-07 1997-05-14 TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH Mikromechanischer Beschleunigungssensor

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10350536B3 (de) * 2003-10-29 2005-06-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Verringerung des Einflusses des Substratpotentials auf das Ausgangssignal eines mikromechanischen Sensors
DE102004021693B4 (de) * 2004-04-30 2008-11-06 Austriamicrosystems Ag Mikromechanischer Sensor
DE102009026462B4 (de) * 2009-05-26 2023-03-30 Robert Bosch Gmbh Beschleunigungssensor
CN201628722U (zh) * 2010-02-09 2010-11-10 杭州电子科技大学 一种大检测电容的微惯性传感器
DE102010038809A1 (de) * 2010-08-03 2012-02-09 Robert Bosch Gmbh Inertialsensor und Verfahren zum Herstellen eines Inertialsensors
DE102011080993A1 (de) * 2011-08-16 2013-02-21 Robert Bosch Gmbh Beschleunigungssensor und Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors
ITTO20130174A1 (it) * 2013-03-05 2014-09-06 St Microelectronics Srl Dispositivo mems e relativa struttura micromeccanica con compensazione integrata delle deformazioni termo-meccaniche
DE102013212059B4 (de) * 2013-06-25 2024-06-06 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Inertialsensor
DE102014211054A1 (de) * 2014-06-10 2015-12-17 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Beschleunigungssensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0244581A1 (de) 1986-04-04 1987-11-11 Robert Bosch Gmbh Sensor zur selbsttätigen Auslösung von Insassenschutzvorrichtungen
EP0773443A1 (de) 1995-11-07 1997-05-14 TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH Mikromechanischer Beschleunigungssensor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020210135A1 (de) 2020-08-11 2022-02-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikroelektromechanisches System, Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Systems
US12528694B2 (en) 2020-08-11 2026-01-20 Robert Bosch Gmbh Microelectromechanical system and method for manufacturing a microelectromechanical system
WO2022264816A1 (ja) * 2021-06-16 2022-12-22 ローム株式会社 加速度センサ

Also Published As

Publication number Publication date
CN111071982A (zh) 2020-04-28
CN111071982B (zh) 2024-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008040855B4 (de) Dreiachsiger Beschleunigungssensor
DE102008040525B4 (de) Mikromechanisches Sensorelement
DE102009026462B4 (de) Beschleunigungssensor
DE102009000167A1 (de) Sensoranordnung
DE102008017156A1 (de) Mikromechanischer Beschleunigungssensor
EP2394177B1 (de) Beschleunigungssensor und verfahren zum betreiben eines beschleunigungssensors
DE102008001442A1 (de) Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Bauelements
EP2082189B1 (de) Drehratensensor mit quadraturkompensationsstruktur
DE19810534A1 (de) Mehrachsenbeschleunigungssensor und Herstellungsverfahren eines Mehrachsenbeschleunigungssensor
DE102017219901B3 (de) Mikromechanischer z-Inertialsensor
DE102008044053A1 (de) Quadraturkompensation für einen Drehratensensor
DE112009003522T5 (de) Beschleunigungssensor
DE102012200740A1 (de) Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
DE102008041327A1 (de) Dreiachsiger Beschleunigungssensor
DE102009047018A1 (de) Verfahren zum Abgleich eines Beschleunigungssensors und Beschleunigungssensor
DE102021200483A1 (de) Dreiachsiger Drehratensensor mit einem Substrat und einem Doppelrotor
WO1992014161A1 (de) Kapazitiver beschleunigungssensor
DE102015222532A1 (de) Mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor
DE102018217841A1 (de) Mikromechanischer Inertialsensor
DE102019200843B4 (de) Mikromechanisches kapazitiv auswertbares Bauelement
DE102011007350A1 (de) Sensor zur taktilen Messung von Kräften und Momenten
DE102020210647A1 (de) Sensorsystem, Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems
WO2017194376A1 (de) Mikromechanischer sensor und verfahren zum herstellen eines mikromechanischen sensors
DE102009028371B4 (de) Mikromechanisches Bauelement mit Wippenstruktur
DE102014211054A1 (de) Mikromechanischer Beschleunigungssensor

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed