DE102021209027A1 - Micromechanical acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat (1) mit einer Haupterstreckungsebene (x,y) und mit einer seismischen Masse (10) in Form einer Wippe, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die Wippe an einer Torsionsfeder (20) drehbar aufgehängt ist, wobei die Torsionsfeder eine Torsionsachse (Ty) parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die Wippe, geteilt durch die Torsionsachse, eine leichte Seite und eine schwere Seite aufweist.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Wippe eine Rotationsachse (Ry) aufweist, welche parallel zur Torsionsachse mit einem Abstand (RTx) dazu auf der leichten Seite angeordnet ist und dass wenigstens zwei Bodenelektroden (40) symmetrisch zur Rotationsachse (Ry) und asymmetrisch zur Torsionsachse auf dem Substrat unter der Wippe angeordnet sind.
The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a substrate (1) with a main extension plane (x,y) and with a seismic mass (10) in the form of a rocker which is arranged above the substrate, the rocker being attached to a torsion spring (20 ) is rotatably suspended, the torsion spring having a torsion axis (Ty) parallel to the main plane of extension, the rocker divided by the torsion axis having a light side and a heavy side.
The essence of the invention is that the rocker has an axis of rotation (Ry) which is parallel to the torsion axis at a distance (RTx) to it on the light side and that at least two bottom electrodes (40) are symmetrical to the axis of rotation (Ry) and asymmetrical are arranged to the torsion axis on the substrate under the rocker.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat mit einer Haupterstreckungsebene und mit einer seismischen Masse in Form einer Wippe, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die Wippe an einer Torsionsfeder drehbar aufgehängt ist, wobei die Torsionsfeder eine Torsionsachse parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die Wippe, geteilt durch die Torsionsachse, eine leichte Seite und eine schwere Seite aufweist.The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a substrate with a main extension plane and with a seismic mass in the form of a seesaw which is arranged above the substrate, the seesaw being rotatably suspended on a torsion spring, the torsion spring having a torsion axis parallel to the main extension plane , where the seesaw divided by the torsion axis has a light side and a heavy side.
Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (z-Richtung) werden häufig Wippen genutzt, wie exemplarisch in
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin einen Beschleunigungssensor mit verbesserter Messgenauigkeit zu schaffen.The object of the invention is to create an acceleration sensor with improved measurement accuracy.
Kern und Vorteile der ErfindungEssence and advantages of the invention
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat mit einer Haupterstreckungsebene und mit einer seismischen Masse in Form einer Wippe, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die Wippe an einer Torsionsfeder drehbar aufgehängt ist, wobei die Torsionsfeder eine Torsionsachse parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die Wippe, geteilt durch die Torsionsachse, eine leichte Seite und eine schwere Seite aufweist.The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a substrate with a main plane and with a seismic mass in the form of a rocker, which is arranged above the substrate, the rocker being rotatably suspended on a torsion spring, the torsion spring having a torsion axis parallel to the main plane , where the seesaw divided by the torsion axis has a light side and a heavy side.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Wippe eine Rotationsachse aufweist, welche parallel zur Torsionsachse mit einem Abstand dazu auf der leichten Seite angeordnet ist und dass wenigstens zwei Detektionselektroden symmetrisch zur Rotationsachse und asymmetrisch zur Torsionsachse auf dem Substrat unter der Wippe angeordnet sind.The essence of the invention is that the rocker has an axis of rotation which is parallel to the torsion axis at a distance therefrom on the light side and that at least two detection electrodes are arranged symmetrically to the axis of rotation and asymmetrically to the torsion axis on the substrate under the rocker.
Erfindungsgemäß ist also die gezielt asymmetrische Anordnung der Auswertelektroden bezüglich der (Torsions-)Feder und deren symmetrische Anordnung bezüglich der realen Rotationsachse.According to the invention, therefore, is the deliberately asymmetrical arrangement of the evaluation electrodes with respect to the (torsion) spring and their symmetrical arrangement with respect to the real axis of rotation.
Die Erfindung biete eine Verbesserung aller auf der Linearität basierenden Parameter (z.B: allg. Linearität, Linearität der Sensitivität, vibration rectification error, total harmonic distortion, ...).The invention offers an improvement of all parameters based on linearity (e.g.: general linearity, linearity of sensitivity, vibration rectification error, total harmonic distortion, ...).
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Detektionselektroden wenigstens zwei Bodenelektroden symmetrisch zur Rotationsachse und asymmetrisch zur Torsionsachse auf dem Substrat unter der Wippe angeordnet sind.An advantageous embodiment of the invention provides that at least two bottom electrodes are arranged as detection electrodes symmetrically to the axis of rotation and asymmetrically to the torsion axis on the substrate under the seesaw.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht alternativ oder zusätzlich vor, dass als Detektionselektroden wenigstens zwei Top-Elektroden symmetrisch zur Rotationsachse und asymmetrisch zur Torsionsachse über der Wippe angeordnet sind.Alternatively or additionally, an advantageous embodiment of the invention provides that at least two top electrodes are arranged symmetrically to the axis of rotation and asymmetrically to the torsion axis above the rocker as detection electrodes.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer seismischen Masse in Form einer Wippe im Stand der Technik.1 shows schematically a micromechanical acceleration sensor with a seismic mass in the form of a seesaw in the prior art. -
2a zeigt schematisch einen Beschleunigungssensor mit einer idealen Auslenkung der Wippe.2a shows schematically an acceleration sensor with an ideal deflection of the rocker. -
2b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer realen Auslenkung der Wippe in einem ersten Ausführungsbeispiel.2 B shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention with a real deflection of the rocker in a first embodiment. -
3a zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer asymmetrischen Wippe im Stand der Technik.3a shows schematically a micromechanical acceleration sensor with an asymmetrical rocker in the prior art. -
3b zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer symmetrischen Wippe im Stand der Technik.3b shows schematically a micromechanical acceleration sensor with a symmetrical rocker in the prior art. -
4a zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer asymmetrischen Wippe.4a shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention in a second embodiment with an asymmetrical rocker. -
4b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer symmetrischen Wippe.4b shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention in a third embodiment with a symmetrical rocker. -
Die
5 a bis e zeigen schematisch weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensors mit einer symmetrischen Wippe.The5 a to e schematically show further exemplary embodiments of an inventive ßen micromechanical acceleration sensor with a symmetrical rocker.
BeschreibungDescription
Bisher wird bei der Auslenkung der Wippe eine perfekt rotatorische Bewegung des Sensors um die Torsionsfederanordnung angenommen. Folglich lenken sich Wippenbereiche, welche entlang der x-Achse die gleiche Entfernung zur Rotationsachse aufweisen, um den gleichen Betrag in z-Richtung aus. Um diese Auslenkung möglichst linear auswerten zu können, werden Bodenelektroden (C1, C2) mit dem gleichen Abstand zur Rotationsachse auf beide Wippenseiten angeordnet. Dies führt zu einer identischen Kapazitätsänderung dC in C1 = C0 + dC und C2 = C0 - dC.Up until now, a perfectly rotational movement of the sensor around the torsion spring arrangement has been assumed when the rocker is deflected. Consequently, rocker areas that are the same distance from the axis of rotation along the x-axis deflect by the same amount in the z-direction. In order to be able to evaluate this deflection as linearly as possible, bottom electrodes (C1, C2) are arranged on both sides of the rocker at the same distance from the axis of rotation. This leads to an identical change in capacitance dC in C1 = C0 + dC and C2 = C0 - dC.
Diese Anordnung ist unabhängig davon, ob die Wippe aus einer einzigen Schicht oder mehreren beweglichen Schichten besteht. Sie gilt sowohl für asymmetrische als auch symmetrische Wippen. Entscheidend ist nur, dass die Wippe eine leichte und eine schwere Seite aufweist. Die
Die notwendige Asymmetrie, also der Abstand RTx ist abhängig von der Massenasymmetrie und Größe der MEMS-Struktur, insbesondere der Erstreckung EWx derWippe in der Erstreckungsrichtung Wx parallel zur Haupterstreckungsebene (x,y) und senkrecht zur Rotationsachse. Als Orientierung lässt sich ein Bereich von RTx = 1-10 µm pro 1 mm Kernlänge festlegen.The necessary asymmetry, i.e. the distance RTx, depends on the mass asymmetry and size of the MEMS structure, in particular the extension EWx of the rocker in the extension direction Wx parallel to the main extension plane (x,y) and perpendicular to the axis of rotation. A range of RTx = 1-10 µm per 1 mm core length can be used as a guide.
Dargestellt ist in allen Fällen ein Beschleunigungssensor mit einem Substrat 1 und einer darüber angeordneten seismischen Masse 10 in Gestalt einer symmetrischen Wippe. Die Wippe ist an einer Torsionsfederanordnung 20 aufgehängt und ist drehbar auslenkbar um eine Torsionsachse Ty. Auf dem Substrat sind bodenelektroden 40 angeordnet, welche mit der gegenüberliegenden Wippe Detektionskapazitäten C1 und C2 bilden. Über der Wippe sind Top-Elektroden 50 angeordnet, welche mit der gegenüberliegenden Wippe ebenfalls Detektionskapazitäten C1 und C2 bilden.
In all cases, an acceleration sensor with a substrate 1 and a
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Substratsubstrate
- P1P1
- erste Siliziumschichtfirst silicon layer
- P3P3
- zweite Siliziumschichtsecond silicon layer
- 1010
- MasseDimensions
- 1212
- symmetrischer Masseteilsymmetrical mass part
- 1414
- asymmetrischer Masseteilasymmetric mass part
- 2020
- Torsionsfederanordnungtorsion spring assembly
- 3030
- Noppenanschlagpimple stop
- 4040
- Bodenelektrodebottom electrode
- 5050
- Top-Elektrode top electrode
- aza.s
- Beschleunigung in Richtung zacceleration in direction z
- (x,y)(x,y)
- Haupterstreckungsebene des SubstratsMain extension plane of the substrate
- TyTy
- Haupterstreckungsrichtung der TorsionsfederMain extension direction of the torsion spring
- RyRy
- Rotationsachse der WippeAxis of rotation of the seesaw
- RTxRTx
- Abstand der Rotationsachse zur Haupterstreckungsrichtung der TorsionsfederDistance of the axis of rotation to the main direction of extension of the torsion spring
- WxWx
- Erstreckungsrichtung der Wippe senkrecht zur RotationsachseExtension direction of the seesaw perpendicular to the axis of rotation
- EWxEWx
- Erstreckung der Wippe senkrecht zur RotationsachseExtension of the rocker perpendicular to the axis of rotation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 0244581 [0002]EP0244581 [0002]
- EP 0773443 B1 [0002]EP 0773443 B1 [0002]
Claims (3)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102021209027.3A DE102021209027A1 (en) | 2021-08-18 | 2021-08-18 | Micromechanical acceleration sensor |
Publications (1)
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---|---|
DE102021209027A1 true DE102021209027A1 (en) | 2023-02-23 |
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ID=85132223
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021209027.3A Pending DE102021209027A1 (en) | 2021-08-18 | 2021-08-18 | Micromechanical acceleration sensor |
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Country | Link |
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0244581A1 (en) | 1986-04-04 | 1987-11-11 | Robert Bosch Gmbh | Sensor for the automatic triggering of passenger security devices |
EP0773443B1 (en) | 1995-11-07 | 2000-05-24 | TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH | Micro-machined accelerometer |
US20050268719A1 (en) | 2004-06-07 | 2005-12-08 | Honeywell International, Inc. | Dynamically balanced capacitive pick-off accelerometer |
US20060185433A1 (en) | 2005-02-18 | 2006-08-24 | Honeywell International, Inc. | MEMS teeter-totter accelerometer having reduced non-linearty |
US20090266164A1 (en) | 2006-04-28 | 2009-10-29 | Panasonic Electric Works Co., Ltd. | Capacitive sensor |
US20130333471A1 (en) | 2012-06-14 | 2013-12-19 | Analog Devices, Inc. | Teeter-Totter Type MEMS Accelerometer with Electrodes on Circuit Wafer |
-
2021
- 2021-08-18 DE DE102021209027.3A patent/DE102021209027A1/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0244581A1 (en) | 1986-04-04 | 1987-11-11 | Robert Bosch Gmbh | Sensor for the automatic triggering of passenger security devices |
EP0773443B1 (en) | 1995-11-07 | 2000-05-24 | TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH | Micro-machined accelerometer |
US20050268719A1 (en) | 2004-06-07 | 2005-12-08 | Honeywell International, Inc. | Dynamically balanced capacitive pick-off accelerometer |
US20060185433A1 (en) | 2005-02-18 | 2006-08-24 | Honeywell International, Inc. | MEMS teeter-totter accelerometer having reduced non-linearty |
US20090266164A1 (en) | 2006-04-28 | 2009-10-29 | Panasonic Electric Works Co., Ltd. | Capacitive sensor |
US20130333471A1 (en) | 2012-06-14 | 2013-12-19 | Analog Devices, Inc. | Teeter-Totter Type MEMS Accelerometer with Electrodes on Circuit Wafer |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R163 | Identified publications notified |