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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche mikromechanischen Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Sie werden beispielsweise zur Messung von Beschleunigung und Drehrate für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (typischerweise als z-Richtung bezeichnet) werden vorzugsweise sog. „Wippen“ bzw. Wippenstrukturen genutzt. Das Sensorprinzip dieser Wippen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche seismische Masse mit zwei auf dem Substrat fixierten Gegenelektroden zwei Plattenkondensatoren bildet. Die Gegenelektroden sind durch eine Isolationsschicht (vorzugsweise Oxid) mit dem Substratwafer mechanisch verbunden, aber elektrisch getrennt. Die seismische Masse ist über mindestens eine, aus Symmetriegründen üblicherweise eher zwei Torsionsfedern mit der Unterlage verbunden. Sind die Massestrukturen 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 Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Solche Beschleunigungssensoren oder Sensoranordnungen werden in zahlreichen Druckschriften beschrieben, u.a. in
EP 0 244 581 und
EP 0 773 443 B1 .
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Gemäß dem Stand der Technik ist der Bereich der Massenasymmetrie nicht wesentlich größer, vergleichbar groß oder mitunter sogar kleiner als die Fläche der Gegenelektroden unterhalb der beweglichen Struktur.
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Trends in der Weiterentwicklung von z-Beschleunigungssensoren bestehen in der Verbesserung der Performance. In bestimmten Anwendungen, etwa für Hearables wie Ohrhörer/Earbuds, kommt vor allem der deutlichen Reduktion des Rauschens eine große Bedeutung zu.
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Das Rauschen eines typischen MEMS-Beschleunigungssensors wird üblicherweise durch zwei Rauschquellen dominiert: elektronisches Rauschen und Brownsches Rauschen. Welche der beiden Rauschquellen dominiert, ist produktspezifisch abhängig von der Auswerteschaltung, also dem ASIC, einerseits und dem MEMS-Element andererseits. Das Brownsche Rauschen eines MEMS-Beschleunigungssensors wird durch statistische Stöße und den resultierenden Impulsübertrag zwischen der seismischen Masse und umgebenden Gasmolekülen verursacht. Bei einer großen Massenasymmetrie einer Wippenstruktur entspricht das Brownsche Rauschen näherungsweise demjenigen für den translatorisch bewegten Sensor, mit dem Unterschied, dass beim translatorischen Sensor die gesamte Sensormasse, bei der z-Wippe jedoch nur der asymmetrische Massenanteil rauschmindernd wirkt.
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Nachteilig bei bisher bekannten Sensoranordnungen von z-Wippen ist, dass in der Regel Kompromisse hinsichtlich der Asymmetrie der seismischen Masse und hinsichtlich der Rauschoptimierung notwendig sind, beispielsweise deshalb, weil ansonsten keine ausreichend großen Auslenkungswinkel der seismischen Masse aus der Ruhelage möglich sind oder aber ein verfrühtes Anschlagen (mechanisches Clipping) der Sensorstrukturen erfolgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Sensoranordnung gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Realisierung einer sehr großen Massenasymmetrie für einen z-Beschleunigungssensor vergleichsweise einfach möglich ist. Die Massenasymmetrie soll sich erfindungsgemäß über eine mindestens doppelt so große Fläche erstrecken wie eine der festen Gegenelektroden oder, anders formuliert, flächenmäßig mindestens so groß sein wie beide Auswerteelektroden zusammen. Besonders geeignet sind die erfindungsgemäßen Anordnungen für z-Beschleunigungssensoren, die bzgl. Rauschen optimiert werden sollen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die mikromechanische Sensoranordnung in herkömmlicher Weise ein Substrat und eine seismische Masse auf. Das Substrat, ebenso wie in der Regel die seismische Masse, ist flächig erstreckt und weist somit eine (jeweilige) Haupterstreckungsebene auf. Die seismische Masse ist um eine zur Haupterstreckungsebene parallele Torsionsachse beweglich ausgebildet; insbesondere ist sie in der Lage um die Torsionsachse, welche in der Regel entlang der Längsachse einer Torsionsfeder verläuft, verschwenkt zu werden. Eine solche Verschwenkung der seismischen Masse ist aufgrund insbesondere einer linearen Beschleunigung der Sensoranordnung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats die Folge der oben bereits angesprochenen asymmetrischen Massenverteilung der seismischen Masse bezüglich der Torsionsachse. In bekannter Weise weist die Sensoranordnung - mit dem Substrat verbunden und in einer Elektrodenschicht angeordnet - eine bezüglich der Torsionsachse symmetrisch ausgebildete Elektrodenstruktur auf, umfassend eine erste Teilelektrode und eine zweite Teilelektrode. Die Massenasymmetrie der seismischen Masse wird erfindungsgemäß hauptsächlich durch einen Asymmetriebereich bewirkt, der sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur Torsionsachse erstreckend auf einer Seite an einer Seite an einen Wippenbereich anschließt, d.h. der Asymmetriebereich schließt sich an dem Wippenbereich parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur Torsionsachse lateral erstreckend an. Der Wippenbereich ist beidseitig der Torsionsachse angeordnet und im Wesentlichen symmetrisch zur Torsionsachse (bzw. zur Ebene der Torsionsachse (senkrecht zur Haupterstreckungsebene)) ausgebildet, wobei es erfindungsgemäß dennoch möglich ist, dass eine zumindest (im Vergleich zum Beitrag durch den Asymmetriebereich) geringfügige Massenasymmetrie auch durch eine entsprechende, nichtsymmetrische (bezüglich der Torsionsachse bzw. -ebene) Massenverteilung des Wippenbereichs erzielt wird. Auf der der Elektrodenschicht zugewandten Seite der seismischen Masse weist diese erfindungsgemäß einen ersten, der ersten Teilelektrode gegenüberliegenden Teilbereich und einen zweiten, der zweiten Teilelektrode gegenüberliegenden Teilbereich auf. Erfindungsgemäß weist nun der Asymmetriebereich eine laterale Erstreckung, parallel zur Haupterstreckungsrichtung und senkrecht zur Torsionsachse, auf, die mindestens doppelt so groß ist wie die laterale Erstreckung, parallel zur Haupterstreckungsrichtung und senkrecht zur Torsionsachse, der ersten oder der zweiten Teilelektrode (oder (insbesondere aufgrund einer in der Regel flächenmäßig und hinsichtlich der lateralen Erstreckung symmetrischen Ausgestaltung des Wippenbereichs bezüglich der Torsionsachse): der Asymmetriebereich weist eine laterale Erstreckung, parallel zur Haupterstreckungsrichtung und senkrecht zur Torsionsachse, auf, die mindestens der Summe der lateralen Erstreckung, parallel zur Haupterstreckungsrichtung und senkrecht zur Torsionsachse, der ersten und der zweiten Teilelektrode entspricht).
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar. Da stark asymmetrische Wippen (d.h. seismische Massen, die neben einem Wippenbereich zusätzlich auch einen lateral angeordneten Asymmetriebereich aufweisen) nur begrenzte Auslenkwinkel zulassen, ist es gemäß vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung bzw. vorteilhafter Sensoranordnungen möglich, vergleichsweise hohe maximale Auslenkwinkel zu erreichen, insbesondere um ein verfrühtes Anschlagen (mechanisches Clipping) solcher Sensoren zu verhindern. Insbesondere ist es gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft möglich, die Sensoranordnung mit insgesamt drei Silizium-Schichten herzustellen. Beispiele für solche Sensoren gehen beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2009 000 167 A1 hervor. Insbesondere ist es hierdurch möglich, eine erhöhte Kapazitätsdichte (also Kapazität/Fläche) zu erzielen (da sowohl Bodenelektroden als auch Topelektroden verwendet werden können und somit ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (bei gleicher Sensorfläche) möglich ist). Insbesondere weist - gemäß einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung - die seismische Masse eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf, wobei die erste Schicht (nachfolgend auch P2-Schicht genannt) und zweite Schicht (nachfolgend auch P3-Schicht genannt) miteinander verbunden die seismische Masse bilden und die erste Schicht auf der der Elektrodenschicht zugewandten Seite der seismischen Masse angeordnet ist. Insbesondere kann die P2-Schicht im Bereich der (in einer Elektrodenschicht, nachfolgend auch als P1-Schicht bezeichnet, angeordneten) Elektroden getrennt von der P3-Schicht strukturiert sein. Die Kapazität zwischen den festen Gegenelektroden in der P1-Schicht und den beweglichen Elektroden in der P2-Schicht kann daher auf beiden Seiten der Torsionsfeder identisch realisiert werden. Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es vorgesehen, dass die erste Schicht (d.h. die P2-Schicht) der Sensoranordnung nicht beweglich vorgesehen ist (d.h. fest mit der seismischen Masse und ihrer zweiten Schicht, d.h. die P3-Schicht, verbunden), sondern fest mit dem Substrat verbunden ist und in der ersten Schicht und unterhalb zumindest eines Teils des Wippenbereichs der seismischen Masse zumindest ein Teil der Elektrodenstruktur der ersten und zweiten Teilelektrode realisiert ist; in diesem Fall (gemäß der zweiten Ausführungsvariante) weist die seismische Masse lediglich die zweite Schicht aufweist, wobei der Abstand senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der seismischen Masse in Richtung des Substrats für den Asymmetriebereich größer ist als für den Wippenbereich.
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Insbesondere ist es erfindungsgemäß bevorzugt - insbesondere gemäß der ersten Ausführungsvariante der Erfindung -, dass die erste Teilelektrode und die zweite Teilelektrode einerseits sowie der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich andererseits bezüglich der Torsionsachse jeweils symmetrisch ausgebildet sind. Durch die Symmetrie kann erfindungsgemäß vermieden (oder zumindest reduziert) werden, dass unterschiedliche Potentialdifferenzen auf beiden Seiten der Torsionsachse zwischen einerseits den Elektroden (bzw. Teilelektroden) und andererseits der seismischen Masse (bzw. der entsprechenden Teilbereiche) (beispielsweise aufgrund von getrappten Oberflächenladungen an den Silizium-Oberflächen) eine effektive Kraftwirkung auf die seismische Masse ausüben. Durch die erfindungsgemäße Symmetrie - beidseits der Torsionsachse - zwischen Elektroden und gegenüberliegenden Bereichen der seismischen Masse verteilen sich solche Oberflächenladungen symmetrisch bezüglich der Drehachse. Insbesondere bei einer Änderung dieser Oberflächenpotentiale in Abhängigkeit der Temperatur oder in Abhängigkeit der Lebensdauer des Sensors besteht die Gefahr von effektiven Kraftwirkungen (und somit Verschwenkungen der seismischen Masse) mit der Folge von unerwünschten Offsetsignalen und einer Reduktion der Messgenauigkeit des Sensors.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Asymmetriebereich eine laterale Erstreckung, parallel zur Haupterstreckungsrichtung und senkrecht zur Torsionsachse, aufweist, die mindestens dreimal so groß ist wie die laterale Erstreckung, parallel zur Haupterstreckungsrichtung und senkrecht zur Torsionsachse, der ersten oder der zweiten Teilelektrode. Hierdurch ist es erfindungsgemäß in noch größerem Maße möglich, die Massenasymmetrie und damit die Performance der Sensoranordnung zu steigern.
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Gemäß weiterer bevorzugter Weiterbildungen ist vorgesehen, dass die maximale Höhe senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Asymmetriebereichs kleiner ist als die maximale Höhe senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Wippenbereichs bzw. dass der Abstand senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der seismischen Masse in Richtung des Substrats für den Asymmetriebereich größer ist als für den Wippenbereich bzw. dass für einen Teilabschnitt des Asymmetriebereichs der Abstand senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der seismischen Masse in Richtung des Substrats größer ist als im restlichen Teil des Asymmetriebereichs, wobei der Teilabschnitt des Asymmetriebereichs insbesondere weiter von der Torsionsachse entfernt angeordnet ist als der restliche Teil des Asymmetriebereichs. In allen diesen Fällen ist es hierdurch erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, vergleichsweise hohe maximale Auslenkwinkel zu erreichen, insbesondere um ein verfrühtes Anschlagen (mechanisches Clipping) der seismischen Masse zu verhindern.
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Erfindungsgemäß ist es bevorzugt vorgesehen - insbesondere gemäß der oben erwähnten ersten Ausführungsvariante der Erfindung -, dass die seismische Masse eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, wobei die erste und zweite Schicht miteinander verbunden die seismische Masse bilden und die erste Schicht auf der der Elektrodenschicht zugewandten Seite der seismischen Masse angeordnet ist, wobei die erste Schicht den ersten Teilbereich und den zweiten Teilbereich aufweist, wobei die erste Teilelektrode und die zweite Teilelektrode einerseits sowie der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich andererseits bezüglich der Torsionsachse jeweils symmetrisch ausgebildet sind. Hierdurch ist es erfindungsgemäß insbesondere vorteilhaft möglich, dass die Kapazität zwischen den festen Gegenelektroden in der Elektrodenschicht (P1-Schicht) und den beweglichen Elektroden in der mit der seismischen Masse verbundenen ersten Schicht (P2-Schicht) auf beiden Seiten der Torsionsfeder identisch realisiert wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung - insbesondere gemäß der oben erwähnten zweiten Ausführungsvariante der Erfindung - ist vorgesehen, dass die erste Schicht (d.h. die P2-Schicht) der Sensoranordnung fest mit dem Substrat verbunden ist und in der ersten Schicht und unterhalb zumindest eines Teils des Wippenbereichs der seismischen Masse zumindest ein Teil der Elektrodenstruktur der ersten und zweiten Teilelektrode realisiert ist, wobei die seismische Masse eine zweite Schicht (P3-Schicht) aufweist, wobei der Abstand senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der seismischen Masse in Richtung des Substrats für den Asymmetriebereich größer ist als für den Wippenbereich. Auch hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, vergleichsweise hohe maximale Auslenkwinkel zu erreichen, insbesondere um ein verfrühtes Anschlagen (mechanisches Clipping) der seismischen Masse zu verhindern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die seismische Masse beidseitig der Torsionsachse zunächst einen Elektrodenbereich zur Erfassung einer Verschiebung senkrecht zur Torsionsachse und parallel zur Haupterstreckungsebene und/oder einen Elektrodenbereich zur Erfassung einer Verschwenkung in der Haupterstreckungsebene bzw. rotatorisch um die z-Achse aufweist. Die Verschwenkung in der Haupterstreckungsebene entspricht dabei einer Rotation um die z-Achse. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, unter Nutzung der Trägheitskräfte auf die gleiche seismische Masse, mit der mikromechanischen Sensoranordnung (lineare) Beschleunigungen bzw. Beschleunigungskomponenten zu messen, die nicht lediglich senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats (bzw. der seismischen Masse) verlaufen, sondern auch parallel hierzu. Sollen Beschleunigungen oder Beschleunigungskomponenten parallel zur Haupterstreckungsebene, jedoch senkrecht zum Verlauf der Torsionsachse (und damit in der Regel auch senkrecht zum Verlauf der Torsionsfeder) gemessen werden, kommt es zu einer Auslenkung der seismischen Masse im Sinne einer Verschiebung senkrecht zur (Haupterstreckungsrichtung der) Torsionsfeder, welche über diese Verschiebung detektierende Elektroden zugänglich ist. Sollen alternativ hierzu oder kumulativ hierzu auch Beschleunigungen oder Beschleunigungskomponenten parallel zur Haupterstreckungsebene, jedoch parallel zum Verlauf der Torsionsachse (und damit in der Regel auch parallel zum Verlauf der Torsionsfeder) gemessen werden, kommt es zu einer Auslenkung der seismischen Masse im Sinne einer Verschwenkung in der Haupterstreckungsebene der seismischen Masse, d.h. zu einer Verschiebung der seismischen Masse parallel zur (Haupterstreckungsrichtung der) Torsionsfeder, welche über diese Verschiebung detektierende Elektroden zugänglich ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen
- 1 eine schematische Perspektivansicht einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2, 3, 4 und 5 jeweils eine schematische Schnittdarstellung einer Sensoranordnung gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
- 6 und 7 jeweils eine schematische Draufsicht auf eine Sensoranordnung gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 ein (in 1 nicht eigens dargestelltes) Substrat mit einer Haupterstreckungsebene 100 aufweist. Ferner umfasst die Sensoranordnung 1 eine seismische Masse 3, welche in einem Aufhängungsbereich 5 am Substrat derart befestigt ist, dass die seismische Masse 3 um eine Torsionsachse 6 - parallel zur Haupterstreckungsebene 100 - relativ zum Substrat drehbar oder schwenkbar ist, wobei der Aufhängungsbereich 5 insbesondere eine Biege- und/oder Torsionsfeder 4 umfasst. Die seismische Masse 3 stellt ein Masseelement dar, welches auf beiden Seiten der Torsionsachse 6 Massenanteile aufweist, jedoch insgesamt eine mit Bezug zur Torsionsachse 6 asymmetrische Massenverteilung aufweist (im dargestellten Beispiel ist der Massenanteil rechts der Torsionsachse 6 größer als der Anteil links davon. Dies hat zur Folge, dass bei einer Beschleunigung der Sensoranordnung 1 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 eine Kraftwirkung auf die seismische Masse 3 im Sinne eines Drehmoments um die Torsionsachse 6 wirkt. Eine Auslenkung der seismischen Masse 3 in diesem Sinn wird kapazitiv mittels Elektroden einer Elektrodenstruktur, welche in einer Elektrodenschicht 22 ausgebildet ist, ausgewertet. Die Elektrodenstruktur umfasst eine erste Teilelektrode 221 und eine zweite Teilelektrode 222, welche mit Bezug zur Torsionsachse 6 (bzw. bezüglich der Torsionsebene, d.h. der Ebene senkrecht zur Haupterstreckungsebene in welcher die Torsionsachse verläuft) symmetrisch ausgebildet sind. Die seismische Masse 3 weist gemäß einer ersten Ausführungsvariante, die in 1 (sowie in den 2 bis 4) dargestellt ist, eine erste Schicht 33 und eine zweite Schicht 35 auf, wobei die erste und zweite Schicht 33, 35 miteinander verbunden sind und die erste Schicht 33 der Elektrodenschicht 22 zugewandt ist. Die seismische Masse 3 weist eine bezüglich der Torsionsachse asymmetrische Massenverteilung auf, indem die seismische Masse 3 sowohl einen Wippenbereich 38 als auch einen Asymmetriebereich 39 umfasst. Der Wippenbereich 38 ist im Wesentlichen symmetrisch zur Torsionsachse 6 (bzw. zur Torsionsebene) vorgesehen (d.h. beidseitig der Torsionsachse angeordnet). Auf der rechten Seite der Torsionsachse 6 weist die seismische Masse 3 somit den rechten Teil des Wippenbereichs 38 sowie den Asymmetriebereich 39, der sich an dem Wippenbereich 38 (bzw. an dem rechten Teil des Wippenbereichs 38) parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Torsionsachse 6 lateral erstreckend anschließt. Ferner ist im Wippenbereich 38 auf der der Elektrodenschicht 22 zugewandten Seite der seismischen Masse 3 ein erster, der ersten Teilelektrode 221 gegenüberliegender Teilbereich und ein zweiter, der zweiten Teilelektrode 222 gegenüberliegenden Teilbereich vorgesehen. Der Asymmetriebereich 39 weist nun erfindungsgemäß eine laterale Erstreckung, parallel zur Haupterstreckungsrichtung 100 und senkrecht zur Torsionsachse 6 (d.h. von der Torsionsachse 6 weg), auf, die mindestens doppelt so groß ist wie die laterale Erstreckung, parallel zur Haupterstreckungsrichtung 100 und senkrecht zur Torsionsachse 6, der ersten oder der zweiten Teilelektrode 221, 222.
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Aus 1 ist ersichtlich, dass die laterale Massenasymmetrie deutlich vergrößert ist, und zwar dergestalt, dass die Massenasymmetrie in Gestalt des Asymmetriebereichs 39 doppelt so groß oder mehr als doppelt so groß ist wie eine der Gegenelektroden, d.h. die erste oder zweite Teilelektrode 221, 222. Dadurch wird zum einen die mechanische Empfindlichkeit (also der Auslenkwinkel pro Beschleunigung) und in Folge dessen auch die elektrische Empfindlichkeit (Kapazitätsänderung pro Beschleunigung) stark vergrößert, so dass das elektronische Rauschen reduziert ist. Zum anderen wird auch das Brownsche Rauschen aufgrund der stark vergrößerten Massenasymmetrie deutlich reduziert. Somit werden vorteilhafterweise mit einer einzigen Designmaßnahme beide dominanten Rauschquellen gegenüber bekannten Sensoranordnungen aus dem Stand der Technik stark reduziert. Erfindungsgemäß ist gemäß weiterer Ausführungsformen (jedoch in den Figuren nicht dargestellt) eine weitere Vergrößerung der Massenasymmetrie (z. B. ein Asymmetriebereich 39 um mindestens einen Faktor 3 (flächenmäßig und/oder hinsichtlich der lateralen Erstreckung parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Torsionsebene) größer als eine der beiden Gegenelektroden 221, 222) möglich, wodurch das Rauschen des Sensors weiter verringert wird.
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Die 2 bis 5 stehen schematische Querschnitte des Elektroden- und Massenbereichs entlang der in 1 eingezeichneten Schnittebene A-B dar.
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In den 2, 3, 4 und 5 sind jeweils schematische Schnittdarstellungen einer Sensoranordnung 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Alle diese Figuren haben gemeinsam, dass neben dem Substrat 2 (und dessen Haupterstreckungsebene 100) die seismische Masse 3 sowie die Torsionsfeder 4 (in dessen Bereich die Torsionsachse 6 verläuft) dargestellt ist. Gemäß der 2, 3 und 4 sind weiterhin (entsprechend der ersten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung) die erste und zweite Teilelektrode 221, 222 als Teil der (substratfesten) Elektrodenschicht 22 sowie - hierzu gegenüberliegend als Teil der seismischen Masse 3 angeordnet - der erste Teilbereich 331 und der zweite Teilbereich 332 dargestellt, während gemäß 5 (entsprechend der zweiten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung) die erste Schicht (dort mit Bezugszeichen 32 bezeichnet) substratfest angeordnet und nicht als Teil der seismischen Masse 3 ausgeführt ist, sondern Teil der Elektrodenstruktur der ersten und zweiten Teilelektroden 221, 222 ist.
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Im gemäß 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Abstände bzw. Gaps zwischen der beweglichen Struktur (d.h. der seismischen Masse 3) und den Gegenelektroden (d.h. der ersten und zweiten Teilelektrode 221, 222) sowie dem P1-Bereich (d.h. dem Bereich der Elektrodenschicht 22) unterhalb der Massenasymmetrie bzw. unterhalb des Asymmetriebereichs 39 alle den gleichen Wert d1 auf. Der Bereich der Elektrodenschicht 22 unterhalb des Asymmetriebereichs 39 liegt zur Gewährleistung von Kräftefreiheit insbesondere auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Wippe, d.h. die seismische Masse 3. Es ist offensichtlich, dass die starke Vergrößerung der Massenasymmetrie der seismischen Masse 3 den Nachteil mit sich bringt, dass der maximale Auslenkwinkel um die Torsionsachse vergleichsweise stark limitiert ist. Je nach Sensorapplikation kann dies zu Problemen führen, da dadurch der Nutzbereich (Range) oder der Überlastbereich (z. B. bei starken Vibrationsanregungen, Clipping kann dabei zu unerwünschten Signalstörungen führen) des Sensors eingeschränkt ist. In der 2 sind die erste und zweite Teilelektrode 221, 222 sowie - hierzu gegenüberliegend als Teil der seismischen Masse 3 - der erste Teilbereich 331 und der zweite Teilbereich 332 dargestellt. Hierbei ist der erste und zweite Teilbereich 331, 332 als Teil der ersten Schicht 33 dargestellt, d.h. die erste Schicht 33 ist bei dieser Interpretation der 2 Teil der seismischen Masse 3. Gemäß einer weiteren Interpretation der 2 (gemäß der der Hinweis auf die erste Schicht 33 als Teil der seismischen Masse 3 gestrichen werden müsste, die jedoch nicht dargestellt ist) weist die seismische Masse 3 lediglich die zweite Schicht 35 auf, nicht jedoch die erste Schicht 33; entsprechend sind bei dieser weiteren Interpretation der 2 der erste Teilbereich 331 und der zweite Teilbereich 332 Teil der zweiten Schicht 35.
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Gemäß der
3,
4 und
5 sind alternative erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Sensoranordnungen
1 dargestellt, bei denen trotz großer Massenasymmetrie ein vergleichsweise hoher maximaler Auslenkwinkel der Wippe (d.h. der seismischen Masse
3) erhalten werden kann. Hierzu zeigt die
3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die bewegliche Struktur (seismische Masse
3) an der Unterseite eine Stufe aufweist, indem die erste Schicht
33 (als Schicht
P2) unterhalb der Wippe im Bereich der Gegenelektroden (d.h. unterhalb des Wippenbereichs
38 angeordnet wurde, jedoch im Bereich der Massenasymmetrie (d.h. des Asymmetriebereichs
39) entfernt wurde. Prozesstechnisch kann dies beispielsweise mittels des in der Druckschrift
DE 10 2011 080 978 A1 beschriebenen Verfahrens erreicht werden. Alternativ hierzu kann eine Stufenanordnung an der Unterseite der Wippe bzw. der seismischen Masse
3 auch durch eine Abscheidung und Strukturierung von zwei Opferoxiden zwischen der P1- und der P3-Schicht (d.h. zwischen der Elektrodenschicht
22 und der zweiten Schicht
35) erreicht werden, was jedoch in
3 nicht dargestellt ist; hierzu wird zunächst ein erstes Opferoxid abgeschieden und in den Bereichen der Gegenelektroden (d.h. im Wippenbereich
38) wieder entfernt. Danach wird ein zweites Opferoxid abgeschieden. Dort, wo das erste Opferoxid stehen geblieben war, ergibt sich somit eine höhere Gesamtoxiddicke als im Bereich der Elektroden.
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Wird nun die P3-Schicht abgeschieden, ergibt sich ebenfalls eine Stufe an der Unterseite der Wippe (d.h. der Unterseite der seismischen Masse am Übergang zwischen dem Wippenbereich
38 und dem Asymmetriebereich
39). Das entsprechende Herstellverfahren ist in der Druckschrift
DE 10 2005 059 905 A1 beschrieben.
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In 4 ist eine aus 3 abgeleitete weitere Ausführung der Sensoranordnung 1 dargestellt, bei der zusätzlich im ganz äußeren Bereich der asymmetrischen Masse (Teilabschnitt 39' des Asymmetriebereichs 39, in welchem der Abstand senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 100 der seismischen Masse 3 in Richtung des Substrats 2 größer ist als im restlichen Teil des Asymmetriebereichs 39) noch die P1-Schicht und das darunterliegende Oxid entfernt wurden. Dadurch ergibt sich ein besonders großes Gap d3 (d.h. Abstand), und der maximale Auslenkwinkel der Wippe ist gegenüber der Anordnung gemäß 3 nochmals erhöht.
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5 stellt eine zu
4 alternative Realisierungsform einer Wippe bzw. seismischen Masse
3 mit erhöhter Auslenkbarkeit dar. In diesem Fall ist eine Stufe nicht an der Unterseite der beweglichen z-Wippe, sondern im festen Unterbau angelegt. Hierfür kann wiederum im Herstellverfahren der
DE 10 2011 080 978 A1 die P2-Schicht (d.h. die erste Schicht, welche in
5 als erste Schicht
32 bezeichnet ist) im Bereich der Gegenelektroden
221,
222 (d.h. im Wippenbereich
38) angeordnet und im Bereich der Massenasymmetrie (d.h. im Asymmetriebereich
39) entfernt werden. Im Resultat ergeben sich wiederum zwei verschiedene Gaps (bzw. Abstände): d1 im Elektrodenbereich und d2 im Bereich der M assenasym m etrie.
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Das Vorsehen von Stufen an der Unterseite der seismischen Masse 3 bzw. im Schichtaufbau unterhalb der beweglichen Struktur ist erfindungsgemäß relevant für eine stark asymmetrische Wippe.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 ist nicht auf einachsige Beschleunigungssensoren beschränkt; auch mehrachsige Beschleunigungssensoren bzw. Sensoranordnungen, mit denen eine gemeinsame Detektionsmasse (d.h. seismische Masse 3) zur Detektion von Beschleunigungen bzw. Beschleunigungskomponenten gemäß verschiedener Richtungen herangezogen wird, können realisiert werden, wobei für die Sensierung von Beschleunigungen bzw. Beschleunigungskomponenten entlang der z-Achse genauso wie für einachsige Sensoren die seismische Masse 3 als Wippenstruktur ausgebildet ist. 6 zeigt in diesem Zusammenhang ein Aufsichtsbild eines erfindungsgemäßen zweiachsigen xz-Beschleunigungssensors. Die Grundstruktur der seismischen Masse 3 entspricht der Wippenanordnung gemäß der 1 bis 5; in der Draufsicht gemäß 6 sind schematisch die Aufhängung, die Torsionsfeder bzw. die Torsionsachse sowie die Elektroden 221, 222 bzw. Teilbereiche dargestellt. Zusätzlich hierzu ist in einem vergleichsweise zentralen Bereich 500 beidseitig der Torsionsfeder 4 bzw. Torsionsachse 6 ein Fingerelektroden-Array für die x-Detektion schematisch angedeutet, womit eine Beschleunigung bzw. eine Beschleunigungskomponente entlang der x-Achse detektierbar ist, bei der sich die seismische Masse 3 in der Zeichenebene nach rechts bzw. nach links verschiebt und hierbei keine Torsion der Torsionsfeder 4 erfolgt, sondern eine Verbiegung (im Sinne einer Blattfeder). Ein solches Fingerelektroden-Array für die x-Detektion (d.h. für die Detektion der Lateralbewegung) ist an sich bekannt und weist Verankerungsstrukturen 520 für Festelektroden auf, die als feststehender Teil der Lateralsensoren fungieren. Diese Festelektroden sind über diese Verankerungen 520 an Leiterbahnen 510, die in der Elektrodenschicht 22 angeordnet sind, fixiert. Der dargestellte Sensor ist aus mehreren Gründen besonders vorteilhaft bzgl. des erreichbaren Signal-Rausch-Abstands: Die seismische Masse 3 kann für beide Achsen (d.h. die z-Achse und die x-Achse) gleichzeitig genutzt werden, um das Brownsche Rauschen zu reduzieren. Somit lässt sich durch diese Anordnung generell auf einer gegebenen Fläche ein kleineres Brownsches Rauschen erreichen als mit zwei getrennten Sensorkernen für x- und z-Achse; bei der z-Achse bewirkt allerdings nur der Massenanteil eine Rauschreduktion, der auch zur mechanischen Empfindlichkeit beiträgt, also nur die asymmetrische Masse. Die Massenasymmetrie ist aus diesem Grund im Beispiel von 6 vergleichsweise sehr groß angelegt (beispielsweise macht die Asymmetrie der seismischen Masse wenigstens 50% (oder mehr) der Gesamtmasse der seismischen Masse 3 aus); die große Massenasymmetrie reduziert das Rauschen im z-Kanal und die gesamte sehr große Masse der seismischen Masse 3 (d.h. die asymmetrische und die symmetrische Masse) reduziert das Rauschen im translatorisch auslenkenden x-Kanal. In 7 ist ferner eine dreikanalige erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 dargestellt: Hier sind zusätzliche y-Elektroden (d.h. Elektroden zur Detektion einer Beschleunigung in y-Richtung, was zu einer Verschwenkung der seismischen Masse 3 in der xy-Ebene (d.h. in der Haupterstreckungsebene 100) führt) in einer Aussparung 600 im Asymmetriebereich 39 der seismischen Masse angelegt. An diesen Elektrodenkämmen entstehen Differenzsignale, wenn der Sensor aufgrund einer y-Beschleunigung um die z-Achse rotiert. Solche Elektrodenkämme für die y-Detektion sind ebenfalls an sich bekannt und weisen wiederum Verankerungsstrukturen 620 für Festelektroden auf, die als feststehender Teil fungieren. Diese Festelektroden sind über diese Verankerungen 620 an Leiterbahnen 610, die in der Elektrodenschicht 22 angeordnet sind, fixiert. Es versteht sich, dass für die mehrachsigen Sensoren der 8 und 9 auch andere Elektrodenkonfigurationen für den x- und y-Kanal mit der erfindungsgemäßen z-Wippen-Anordnung kombiniert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0244581 [0002]
- EP 0773443 B1 [0002]
- DE 102009000167 A1 [0009]
- DE 102011080978 A1 [0024, 0027]
- DE 102005059905 A1 [0025]
