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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Inertialsensor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors.
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Stand der Technik
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Mikroelektromechanische-Beschleunigungssensoren (MEMS-Beschleunigungssensoren) kommen heutzutage in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz, z. B. im Automobil- oder Consumer-Bereich. Die Mehrzahl der Anwendungen erfordert eine genaue Beschleunigungsmessung im Bereich weniger g (Vielfache der Erdbeschleunigung) mit sogenannten „Nieder-g“-Sensoren. Diese finden insbesondere in Consumer-Applikationen (Smartphones, Tablets, usw.) Verwendung. Im Automobilbereich sind neben Nieder-g-Sensoren, beispielsweise zur Fahrdynamik-Regelung, auch sogenannte Hoch-g-Sensoren in Verwendung, z. B. um die zur Auslösung eines Airbags auftretenden Beschleunigungen im Bereich von wenigstens 100 g zu detektieren.
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Herkömmlicherweise ist vorgesehen, für jeden der Bereiche jeweils separate Sensoren zu entwerfen. Typischerweise sind die Performance-Anforderungen von Nieder-g-Sensoren hinsichtlich Offset- und Empfindlichkeitsfehlern, aber auch hinsichtlich Rauschen sehr hoch, während die Anforderungen für Hoch-g-Sensoren eher etwas verringert sind. Hoch-g-Sensoren müssen vorrangig einen hohen Dynamikbereich ohne elektrisches oder mechanisches Clipping bereitstellen.
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MEMS-Beschleunigungssensoren bestehen aus an Federn aufgehängten, beweglichen Massen und Elektroden zur Detektion der Bewegung. Je nach Detektionsrichtung kann es sich um lineare (z. B. x, y) oder auch rotatorische Bewegungen (z. B. in z-Richtung) handeln. Aus
DE 10 2008 001 442 A1 ist ein Sensor bekannt, der mit einer einzelnen beweglich aufgehängten Masse und drei Elektrodenpaaren Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen (x, y, z) detektieren kann. Die dort vorliegende Erfindung macht sich die Eigenschaft einer sog. z-Wippe zu Nutze, auf Beschleunigung in alle drei Raumrichtungen mit einer „individuellen“ Bewegung zu reagieren: Auslenkung in x-Richtung erzeugt eine Linearbewegung, Auslenkung in y-Richtung erzeugt eine In-Plane Rotation, Auslenkung in z-Richtung erzeugt eine Out-of-Plane Rotation. Diese Anordnung wird im Folgenden auch als „Einmasseschwinger“ bezeichnet. In der Praxis erweist es sich allerdings als große Herausforderung, für alle drei Sensierrichtungen eine gleichermaßen gute Performance (z.B. bezüglich Rauschen sowie Offset- und Empfindlichkeitsfehlern) zu gewährleisten. Zur Verbesserung der Performance von Einmasseschwingern wurden in
DE 10 2012 200 740 A1 und in
DE 10 2016 207 866 A1 weitere Aufhängungen und elektrische Beschaltung der Festelektroden und spezielle Herstellungsverfahren z. B. unter Zuhilfenahme einer zweiten mikromechanischen Schicht vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten mikromechanischen Inertialsensor bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Inertialsensor, aufweisend:
- - ein Substrat; und
- - eine an das Substrat angebundene seismische Masse, welche derart ausgebildet ist, dass sie in eine erste kartesische Koordinatenrichtung eine Detektionsfähigkeit von Nieder-g-Beschleunigung mit ca. 1g aufweist; wobei
- - die seismische Masse weiterhin derart ausgebildet ist, dass sie in wenigstens eine zweite kartesische Koordinatenrichtung eine Detektionsfähigkeit von Hoch-g-Beschleunigung mit wenigstens ca. 100 g aufweist.
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Auf diese Weise wird ein mikromechanischer Inertialsensor bereitgestellt, der wenigstens einen Hoch-g-Kanal und wenigstens einen Nieder-g-Kanal aufweist. Auf diese Weise können die genannten Messempfindlichkeiten auf einem einzigen Sensor integriert werden, was einen fertigungstechnischen und kostenmäßigen Aufwand für Beschleunigungssensoren vorteilhaft verringert. Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Substrats;
- - Bereitstellen einer an das Substrat angebundenen seismischen Masse, welche derart ausgebildet wird, dass sie in eine erste kartesische Koordinatenrichtung eine Detektionsfähigkeit von Nieder-g-Beschleunigung mit ca. 1g aufweist; wobei
- - die seismische Masse weiterhin derart ausgebildet wird, dass sie in wenigstens eine zweite kartesische Koordinatenrichtung eine Detektionsfähigkeit von Hoch-g-Beschleunigung mit wenigstens ca. 100 g aufweist.
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Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Inertialsensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die seismische Masse als eine z-Wippe-ausgebildet ist, die mittels Federelementen und eines Anbindungselements zentral an das Substrat angebunden ist, wobei eine Breite der Federelemente jeweils zwischen ca. 2% und ca. 5% einer Länge der Federelemente beträgt. Auf diese Weise wird mit spezifischer geometrischen Maßnahmen ein Hoch-g-Funktion mit einer Nieder-g-Funktion in einem Sensor vereint. Im Ergebnis wird dadurch erreicht, dass sich die seismische Masse nicht nur Beschleunigungen in z-Richtung sondern auch in x- und y-Richtung erfassen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass Abstände von x-Elektroden und Abstände von y-Elektroden zur seismischen Masse definiert größer sind als ein Abstand der am Substrat angeordneten z-Elektroden zur seismischen Masse. Dadurch werden weitere geometrische Maßnahmen verwirklicht, um die genannte Kombination von Hoch-g- und Nieder-g-Funktionalität zu erreichen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die x-Elektroden über eine laterale Ausdehnung der seismischen Masse in Ausnehmungen der seismischen Masse durchgängig ausgebildet sind, wobei die y-Elektroden separat von den x-Elektroden in Ausnehmungen der seismischen Masse ausgebildet sind. Dadurch werden mit getrennten Elektroden die Beschleunigungen in x-Richtung und in y-Richtung erfasst.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass xy-Elektroden über eine laterale Ausdehnung der seismischen Masse in Ausnehmungen der seismischen Masse jeweils zweistückig ausgebildet sind, wobei die xy-Elektroden abwechselnd elektrisch über Kreuz verschaltbar sind. Auf diese Weise wird ein alternatives Konzept realisiert, bei dem mit einem einzigen Satz von Elektroden Beschleunigungen in x- und in y-Richtung detektiert werden können. Vorteilhaft lässt sich der Sensor dadurch noch kleiner realisieren.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die seismische Masse über eine laterale Gesamtausdehnung unsymmetrisch ausgebildet ist, wobei unterhalb der seismischen Masse jeweils eine z-Elektrode an relativ zu einer Torsionsachse gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind. Auf diese Weise wird ein Lateralsensor zur Erfassung von Beschleunigungen in x-Richtung mit einer z-Wippenfunktionalität angereichert, sodass im Ergebnis ein Nieder-g-Sensor (Detektion in x-Richtung) mit einem Hoch-g-Sensor (Detektion in z-Richtung) realisiert ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ausmaß der Unsymmetrie der seismischen Masse über die laterale Gesamtausdehnung vorzugsweise weniger als ca. 30%, bevorzugt ca. 2% bis ca. 5%, mehr bevorzugt ca. 10% bis ca. 20%, noch mehr bevorzugt ca. 25% bis ca. 30% beträgt. Dadurch wird eine geeignete spezifische Dimensionierung der Unsymmetrie bereitgestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ausmaß der Unsymmetrie der seismischen Masse über die laterale Gesamtausdehnung abhängig von einer Detektionsfähigkeit in z-Richtung ausgebildet ist. Vorteilhaft kann dadurch je nach zu messender Beschleunigung die Unsymmetrie der seismischen Masse spezifisch ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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Offenbarte 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.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine Draufsicht auf eine seismische Masse eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors;
- 2 eine Draufsicht auf eine seismische Masse einer weiteren Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensor in einem ersten Verschaltungszustand;
- 3 eine Draufsicht auf die seismische Masse des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors von 2 in einem zweiten Verschaltungszustand;
- 4 eine Draufsicht auf eine seismische Masse eines konventionellen mikromechanischen Inertialsensors;
- 5 eine Draufsicht auf die seismische Masse einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors; und
- 6 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im Folgenden wird unter „Nieder-g“ ein Beschleunigungswert von ca. einfacher Erdbeschleunigung g und unter „Hoch-g“ ein Beschleunigungswert von wenigstens hundertfacher Erdbeschleunigung g verstanden.
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Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, die Hoch-g-Funktionalität für die x- und y-Richtung in den Nieder-g-z-Schwinger und die Hoch-g-Funktionalität für die z-Richtung in mindestens einen Lateralsensor (x und/oder y) zu integrieren. Dadurch lassen sich besonders vorteilhaft die Performance-Anforderungen der Nieder-g-z- und der Nieder-g-x- und y-Sensoren adressieren. Die hinsichtlich Performance weniger anspruchsvollen Hoch-g-Sensoren lassen sich dann mit relativ geringem Aufwand in die Nieder-g-Sensorstrukturen integrieren. Insgesamt ist somit eine besonders kompakte Bauweise von mehrachsigen Beschleunigungssensoren unterstützt, welche Nieder- und Hoch-g-Funktionalität vereinen, und zwar vorteilhaft ohne nennenswerte Kompromisse bzgl. der erreichbaren Performance der Nieder-g-Kanäle.
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Im Rahmen fortschreitender Miniaturisierung der Sensoren kann es sinnvoll sein, Nieder- und Hoch-g-Funktionalität miteinander auf einem Chip oder in einem Sensorpackage zu vereinen bzw. dies mit möglichst wenig separaten MEMS-Strukturen zu realisieren. Dabei sollen keine Performance-Kompromisse für die Nieder-g-Kanäle des Sensors eingegangen werden.
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1 zeigt schematisch, wie die Hoch-g-Funktionalität für die Richtungen x und y in einen z-Inertialensor 100 integriert werden kann. Erkennbar ist eine seismische Masse 10 in Form einer z-Wippe, welches als ein Nieder-g-Element mit weicher Feder und großer Masse zur Detektion von Beschleunigung in z-Richtung ausgebildet ist. Durch eine Anordnung von feststehenden x-Elektroden 11-14 und feststehenden y-Elektroden 20...29 in Aussparungen des seismischen Masse 10 und entsprechender Anpassung von Parametern des mikromechanischen Inertialsensors wie Federlänge und -breite, Radius des Anfangspunktes der Feder oder Elektrodenabstand eine Hoch-g-Abstimmung der x- und y-Elektroden erreicht werden. Die schraffierten Bereiche stellen Anbindungspunkte der freibeweglichen (unterätzten) Funktionsebene an das Sensorsubstrat (nicht dargestellt) dar. Eine solche Struktur realisiert:
- a) einen Nieder-g-Inertialsensor in z-Richtung (d.h. senkrecht zur Waferebene)
- b) zwei Hoch-g-Inertialsensoren in x- und y-Richtung (d.h. parallel zur Waferebene)
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Die Hoch-g-Eigenschaften in laterale Richtung erhält der vorgeschlagene Inertialsensor durch folgende Modifikationen:
- - Federbreite: Weil die Federbreite in die x-/y-Biegesteifigkeit in der dritten Potenz eingeht und für den z-Kanal (Torsionssteifigkeit) einen geringeren Einfluss hat, sollte die Breite B der Federelemente 40, 41 vorzugsweise mehr als 2% der Länge L betragen, also B/L > 0.02
- - Elektrodenabstand: Um dem Inertialsensor für die Hoch-g-Funktionalität in Lateralrichtung mehr Auslenkbarkeit zu geben, sollte der Elektrodenabstand d_lateral der x-Elektroden und der y-Elektroden zur seismischen Masse 10 größer sein als der Elektrodenabstand d vertikal zwischen auslenkbarer seismischer Masse 10 und Substrat in z-Richtung, wodurch gilt:
- - Auslenkung bei Erdbeschleunigung: Die Parameter Massenverteilung, Federbreite und -länge werden so eingestellt, dass die Auslenkung der seismischen Masse 10 bei Anlegen der Erdbeschleunigung in Lateralrichtung (x oder y) wenigstens fünfmal geringer ist als in z-Richtung (gemessen am Mittelpunkt bzw. auf einer Mittellinie der z-Elektroden 30, 31)
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Man erkennt, dass in der in 1 dargestellten Ausführungsform des mikromechanischen Inertialsensors 100 die feststehenden x-Elektroden 11-14 und die feststehenden y-Elektroden 20-29 separat voneinander ausgebildet sind.
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Im Ergebnis ist mit der Anordnung von 1 ein Nieder-g z-Sensor mit Hoch-g Funktionalitäten in x- und y-Richtung „angereichert“ bzw. in einem Inertialsensor vereint. Dadurch ist erreicht, dass sich die seismische Masse 10 nicht nur in z-Richtung sondern auch in x- und in y-Richtung bewegen kann und dadurch Beschleunigungswerte messen kann. Eine Beschleunigung der seismischen Masse 10 in y-Richtung resultiert in einer Drehung der seismischen Masse 10 um die z-Achse (angedeutet durch einen Drehpfeil).
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In einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Inertialsensors 100 kann die y-Bewegung der seismischen Masse 10, bei der es sich um eine In-Plane-Rotation handelt, auch mittels xy-Elektroden 11a-14b detektiert werden, wenn diese, wie in den 2 und 3 dargestellt, zeitlich nacheinander über Kreuz verschaltet werden.
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2 zeigt einen Verschaltungszustand der x-Elektroden 11a-14b zur Detektion von x-Bewegung und 3 einen Verschaltungszustand der xy-Elektroden 11a-14b zur Detektion von rotatorischer y-Bewegung. Man erkennt, dass die Verschaltung der xy-Elektroden 11b, 12b bzw. 13b, 14b in 3 gegenüber der Verschaltung der xy-Elektroden 11b, 12b bzw. 13b, 14b in 2 geändert ist, was durch ein von einem ASIC angesteuertes elektronisches Schalterelement (nicht dargestellt) realisiert wird.
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Im Ergebnis wird dadurch erreicht, dass Kapazitätsänderungen zwischen der seismischen Masse 10 und den xy-Elektroden 11a-14b sowohl bei einer Auslenkung der seismischen Masse 10 in x-Richtung als auch einer Auslenkung in y-Richtung korrekt erfasst werden. Im Ergebnis lassen sich dadurch die separaten y-Elektroden 20-29 von 1 einsparen, was eine noch kompaktere Bauweise des mikromechanischen Inertialsensors 100 unterstützt. Im Ergebnis kann man auf diese Weise mit einem einzigen Satz von xy-Elektroden Auslenkungen der seismischen Masse in x- und in y-Richtung detektieren. Vorteilhaft kann dadurch der Inertialsensor 100 noch kostengünstiger realisiert werden, weil weniger Elektrodenfläche benötigt wird.
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Die genannte Umschaltung bzw. Ansteuerung der xy-Elektroden kann zum Beispiel in einem Zeitmultiplexverfahren durchgeführt werden, sodass der Inertialsensor zyklisch sowohl Auslenkungen der seismischen Masse 10 in x-Richtung als auch in y-Richtung detektieren kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Inertialsensors
100 ist vorgesehen, dass ein konventioneller Nieder-g-Lateralsensor für die x-Richtung mit einer Hoch-g-Funktionalität in z-Richtung „angereichert“ wird.
4 zeigt in einer Draufsicht einen konventionellen Nieder-g-Lateralsensor, der topologisch
5 von
DE 10 2009 045 391 A1 entspricht. Dabei ist die zentrale Struktur der beweglichen seismischen Masse
10 zentral aufgehängt. Sämtliche Festelektroden (z.B.
11a,
12a,
11b,
12b) sind ebenfalls in einem zentrumsnahen Gebiet in der Nähe der Aufhängung der beweglichen seismischen Masse
10 angeordnet. In den größeren Massebereichen links und rechts der beweglichen seismischen Masse
10 sind zwei feststehende mechanische Anschläge (nicht dargestellt) angeordnet, die die maximale Auslenkung der seismischen Masse
10 begrenzen.
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Wird an die typischerweise in z-Richtung ausgewuchteten Struktur eines derartigen x-Inertialsensors eine Unwucht angebracht, so dass dieser auf eine z-Beschleunigung mit einer out-of-plane-Rotation oder -Nickbewegung reagiert, erhält man durch Hinzufügen von z-Elektroden 30, 31 (z. B. unterhalb des Sensors, wie in 5 angedeutet) und entsprechende Abstimmung einer Zusatzmasse 10a und Federn die Hoch-g-Funktionalität für die z-Richtung. Die Darstellung von 5 ist sehr schematisch, wobei im Detail die Feder-Geometrien und der Abstand der Federn vom Aufhängungspunkt der beweglichen seismischen Masse 10 optimiert werden müssen, um die unterschiedlichen Beweglichkeiten und Empfindlichkeiten der seismischen Masse 10 in x- und z-Richtung zu gewährleisten.
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Die geometrischen Merkmale des vorgeschlagenen Inertialsensors 100 sind jedoch aus einem Vergleich der 4 und 5 gut zu erkennen:
- - Eine Unwucht der seismischen Masse 10 in Form einer Zusatzmasse 10a, um bei Anlegen einer Hoch-g-Beschleunigung ein Wippen der seismischen Masse 10 zu bewirken
- - Unterhalb des Inertialsensors 100 angeordnete z-Elektroden 30, 31, um das Wippen der seismischen Masse 10 differentiell (eine Seite bewegt sich nach oben, die andere nach unten) zu detektieren
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Es ist natürlich auch denkbar, die xz-Funktionalität des Inertialsensors 100 über eine Federtopologie entsprechend den 1, 2 und 3 zu realisieren. Um die x-Achse im Vergleich zur z-Achse besonders empfindlich auszulegen, müsste eine besonders große Federlänge gewählt werden, da die Federlänge in die Torsionsbewegung (relevant für die z-Empfindlichkeit) linear, in die Biegeempfindlichkeit in x-Richtung aber in dritter Potenz eingeht. Da einer Federverlängerung gewisse Grenzen gesetzt sind (damit die Fläche des Sensors in einem sinnvollen Rahmen bleibt), kann auch statt eines Einfachbalkens wie in den 1-3 eine gefaltete Feder, z.B. in Form einer S-förmigen Feder (nicht dargestellt) verwendet werden. Auch hierdurch lässt sich die effektive Länge der Feder steigern und eine höhere Nachgiebigkeit in x- als in z-Richtung erreichen.
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Sind zwei Nieder-g-Lateralkanäle (x, y) vorhanden und erhält mindestens einer davon die zusätzliche Hoch-g-Funktionalität in z-Richtung, so resultieren daraus:
- c) zwei Nieder-g-Sensoren in x- und y-Richtung (d.h. parallel zur Waferebene)
- d) ein Hoch-g-Sensor in z-Richtung (d.h. senkrecht zur Waferebene)
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Zusammen mit a) und b) erhält man im Ergebnis einen dreikanaligen Nieder-g-Inertialsensor (x, y, z) und einen dreikanaligen Hoch-g-Inertialsensor (x, y, z) unter Verwendung von nur drei schwingfähigen Strukturen. Der Flächenbedarf ist gegenüber einem reinen dreikanaligen Nieder-g-Inertialsensor (x, y, z) ohne Hoch-g-Funktionalität vorteilhaft nur geringfügig erhöht. Insbesondere ist die Anordnung im Allgemeinen etwas kompakter als eine laterale (side-by-side) Anordnung eines dreikanaligen Nieder-g-Inertialsensors neben einem dreikanaligen Hoch-g-Inertialsensor.
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6 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines vorgeschlagenen Inertialsensors.
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In einem Schritt 200 wird ein Substrat bereitgestellt.
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In einem Schritt 210 wird eine an das Substrat angebundene seismische Masse 10 bereitgestellt, welche derart ausgebildet wird, dass sie in eine erste kartesische Koordinatenrichtung z; x eine Detektionsfähigkeit von Nieder-g-Beschleunigung mit ca. 1g aufweist, durchgeführt.
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In einem Schritt 220 wird die seismische Masse 10 derart ausgebildet, dass sie in wenigstens eine zweite kartesische Koordinatenrichtung x, y; z eine Detektionsfähigkeit von Hoch-g-Beschleunigung mit wenigstens ca. 100 g aufweist. 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001442 A1 [0004]
- DE 102012200740 A1 [0004]
- DE 102016207866 A1 [0004]
- DE 102009045391 A1 [0030]
