DE102022200338A1 - Micromechanical sensor device - Google Patents
Micromechanical sensor device Download PDFInfo
- Publication number
- DE102022200338A1 DE102022200338A1 DE102022200338.1A DE102022200338A DE102022200338A1 DE 102022200338 A1 DE102022200338 A1 DE 102022200338A1 DE 102022200338 A DE102022200338 A DE 102022200338A DE 102022200338 A1 DE102022200338 A1 DE 102022200338A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- seismic mass
- elements
- sensor device
- micromechanical sensor
- electrodes
- 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
Links
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 claims description 5
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 21
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 14
- 238000011161 development Methods 0.000 description 7
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 7
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
-
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Mikromechanische Sensoreinrichtung (100), aufweisend:- ein erstes seismisches Massenelement (10); und- ein zweites seismisches Massenelement (20); wobei die beiden seismischen Massenelemente (10, 20) unterschiedliche Steifigkeits-Masse-Verhältnisse aufweisen; wobeidie seismischen Massenelemente (10, 20) mit Federelementen (1a, 1b, 2a, 2b) an denselben Ankerelementen (1, 2) fixiert sind; und wobei eine Gesamtheit von Substratverankerungen von statischen Elektroden (12a...12n), die funktional mit Elektroden (11a... 11n, 21a...21n) der seismischen Massenelemente (10, 20) zusammenwirken, im Wesentlichen im selben Schwerpunkt angeordnet ist.Micromechanical sensor device (100), comprising:- a first seismic mass element (10); and- a second seismic mass element (20); wherein the two seismic mass elements (10, 20) have different stiffness-to-mass ratios; whereinthe seismic mass elements (10, 20) are fixed to the same anchor elements (1, 2) with spring elements (1a, 1b, 2a, 2b); and wherein an assembly of substrate anchorages of static electrodes (12a...12n) operatively cooperating with electrodes (11a...11n, 21a...21n) of the seismic mass elements (10, 20) are arranged substantially at the same centroid is.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensoreinrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Sensoreinrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Sensoreinrichtung.The present invention relates to a micromechanical sensor device. The present invention also relates to a method for producing a micromechanical sensor device. The present invention also relates to a method for operating a micromechanical sensor device.
Stand der TechnikState of the art
MEMS-Beschleunigungssensoren sind seit langem bekannt. Bei einem derartigen Beschleunigungssensor wird für eine einzelne Messachse eine an elastischen Federn aufgehängte seismische Masse durch eine Beschleunigung ausgelenkt. Diese Auslenkung wird kapazitiv mit differentiell angeordneten Elektroden gemessen, wobei ein Kapazitätswert bei der Auslenkung zunimmt, während ein anderer Kapazitätswert bei der Auslenkung abnimmt.MEMS acceleration sensors have been known for a long time. In such an acceleration sensor, a seismic mass suspended on elastic springs is deflected by an acceleration for a single measuring axis. This deflection is measured capacitively with differentially arranged electrodes, with one capacitance value increasing during the deflection, while another capacitance value decreasing during the deflection.
Die genannten Beschleunigungssensoren können z.B. für Nieder-g-Anwendungen (z.B. bis ca. 10g) sowie für Hoch-g-Anwendungen (z.B. einige 100g) in einem einzigen MEMS-Chip nebeneinander verwendet werden. Nieder-g-Sensoren können z.B. für eine Orientierungserkennung eines Displays (Smartphone) verwendet werden, Hoch-g-Sensoren z.B. für die Erfassung von schnellen Bewegungen.The acceleration sensors mentioned can be used side by side in a single MEMS chip, e.g. Low-g sensors can be used, for example, to detect the orientation of a display (smartphone), high-g sensors, for example, to detect fast movements.
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte mikromechanische Sensoreinrichtung bereitzustellen.It is an object of the invention to provide an improved micromechanical sensor device.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Sensoreinrichtung, aufweisend:
- - ein erstes seismisches Massenelement; und
- - ein zweites seismisches Massenelement; wobei die beiden seismischen Massenelemente unterschiedliche Steifigkeits-Masse-Verhältnisse auf-
weisen; wobei
die seismischen Massenelemente mit Federelementen an denselben Ankerelementen fixiert sind; und wobei
eine Gesamtheit von Substratverankerungen von statischen Elektroden, die funktional mit Elektroden der seismischen Massenelemente zusammen- wirken, im Wesentlichen im selben Schwerpunkt angeordnet ist.According to a first aspect, the object is achieved with a micromechanical sensor device, having:
- - a first mass seismic element; and
- - a second seismic mass element; where the two seismic mass elements have different stiffness-to-mass ratios
point; whereby
the seismic mass elements are fixed to the same anchor elements with spring elements; and where
a set of substrate anchorages of static electrodes functionally cooperating with electrodes of the mass seismic elements are arranged substantially in the same center of gravity.
Vorteilhaft kann durch diese vorgeschlagene Struktur eine Auswirkung von mechanischem Stress wesentlich verringert bzw. eliminiert sein. Ein konstantes Offsetsignal kann leicht von einer echten Beschleunigung unterschieden werden, weil dieselben Elemente an diesen Signalen beteiligt sind. Bei einwirkender Beschleunigung reagieren die seismischen Massen unterschiedlich, weil sie unterschiedliche Steifigkeiten und Massen besitzen.An effect of mechanical stress can advantageously be significantly reduced or eliminated by this proposed structure. A constant offset signal can be easily distinguished from true acceleration because the same elements are involved in these signals. When acceleration is applied, the seismic masses react differently because they have different stiffnesses and masses.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Sensoreinrichtung, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines ersten seismischen Massenelements; und
- - Bereitstellen eines zweiten seismischen Massenelements; wobei die beiden seismischen Massenelemente unterschiedliche Steifigkeits-Masse-Verhältnisse aufweisen; wobei die seismischen Massenelemente mit Federelementen an denselben Ankerelementen fixiert werden; und wobei
eine Gesamtheit von Substratverankerungen von statischen Elektroden, die funktional mit Elektroden der seismischen Massenelemente zusammen- wirken, im Wesentlichen im selben Schwerpunkt angeordnet wird.According to a second aspect, the object is achieved with a method for producing a micromechanical sensor device, having the steps:
- - providing a first mass seismic element; and
- - providing a second seismic mass element; wherein the two seismic mass elements have different stiffness-to-mass ratios; wherein the seismic mass elements are fixed to the same anchor elements with spring elements; and where
a set of substrate anchorages of static electrodes functionally cooperating with electrodes of the seismic mass elements is arranged substantially in the same center of gravity.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Sensoreinrichtung, aufweisend die Schritte:
- a) Generieren von Wertepaaren aus Messwerten, die jeweils mittels eines ersten seismischen Massenelements und eines zweiten seismischen Massenelements gemessen werden, wobei die seismischen Massenelement in unterschiedlichen Messbereichen messen;
- b) Ermitteln eines Roh-Offset-Signals; und
- c) Herausrechnen des Roh-Offset-Signals aus den in Schritt a) ermittelten Wertepaaren.
- a) Generation of pairs of values from measured values which are each measured by means of a first seismic mass element and a second seismic mass element, the seismic mass elements measuring in different measurement ranges;
- b) determining a raw offset signal; and
- c) Calculating the raw offset signal from the pairs of values determined in step a).
Gemäß einem vierten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung, wenn es auf einer elektronischen Vorrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.According to a fourth aspect, the object is achieved with a computer program product with program code means for carrying out the method for operating a proposed micromechanical sensor device when it runs on an electronic device or is stored on a computer-readable data carrier.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Ansprüchen.Advantageous developments of the proposed micromechanical sensor device are the subject of the respective dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Sensoreinrichtung sieht vor, dass die statischen Elektroden, die funktional mit den Elektroden der seismischen Massenelemente zusammenwirken, definiert nahe aneinander angeordnet sind.An advantageous further development of the micromechanical sensor device provides that the static electrodes, which are functionally connected to the electric which interact with the seismic mass elements, are arranged close to one another in a defined manner.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Sensoreinrichtung sieht vor, dass die seismischen Massenelemente jeweils an eigenen Ankerelementen fixiert sind, wobei die Substratverankerungspunkte der Ankerelemente definiert nahe aneinander angeordnet sind. Auf diese Weise können an die seismischen Massen verschiedene elektrische Potentiale angelegt werden. Ferner können auch bei dieser Variante für das Auslesen der elektrischen Signale dieselben statischen Elektroden genutzt werden.A further advantageous development of the micromechanical sensor device provides that the seismic mass elements are each fixed to their own anchor elements, with the substrate anchor points of the anchor elements being arranged close to one another in a defined manner. In this way, different electrical potentials can be applied to the seismic masses. Furthermore, the same static electrodes can also be used in this variant for reading out the electrical signals.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Sensoreinrichtung sieht vor, dass eines der seismischen Massenelemente das andere der seismischen Massenelemente ringförmig umschließt.A further advantageous development of the micromechanical sensor device provides that one of the seismic mass elements encloses the other of the seismic mass elements in a ring shape.
Eine weitere Weiterbildung der mikromechanischen Sensoreinrichtung sieht vor, dass die seismischen Massenelemente C-förmig ausgebildet sind und in einer Detektionsebene ineinandergreifen.A further development of the micromechanical sensor device provides that the seismic mass elements are C-shaped and engage in one another in a detection plane.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der mikromechanischen Sensoreinrichtung sehen vor, dass die Sensoreinrichtung eine In-Plane-Sensoreinrichtung oder eine Out-of-Plane-Sensoreinrichtung ist.Further advantageous developments of the micromechanical sensor device provide that the sensor device is an in-plane sensor device or an out-of-plane sensor device.
Eine weitere Weiterbildung der mikromechanischen Sensoreinrichtung sieht vor, dass das erste seismische Massenelement für einen Hoch-g-Sensor und wobei das zweite seismische Massenelement für einen Nieder-g-Sensor verwendet wird.A further development of the micromechanical sensor device provides that the first seismic mass element is used for a high-g sensor and the second seismic mass element is used for a low-g sensor.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und müssen zu diesem Zweck nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt sein.The invention is described in detail below with further features and advantages on the basis of several figures. Elements that are the same or have the same function have the same reference numbers therein. The figures are intended in particular to clarify the principles that are essential to the invention and do not necessarily have to be drawn to scale for this purpose.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die vorgeschlagene mikromechanische Sensoreinrichtung aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung und aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Betreiben einer vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung ergeben und umgekehrt.Device features disclosed result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and technical advantages relating to the proposed micromechanical sensor device result from corresponding versions, features and technical advantages relating to the method for producing a proposed micromechanical sensor device and from corresponding embodiments, features and technical advantages relating to the method for operating a proposed micromechanical sensor device result and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 eine herkömmliche mikromechanische Sensoreinrichtung; -
2 eine erste Ausführungsform einer vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung; -
3 die vorgeschlagenen mikromechanischen Sensorvorrichtung von Figur zu zwei bei einer Auslenkung; -
4 eine weitere Ausführungsform einer vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung; -
5 ein Auslenkungsdiagramm, das ein Wirkprinzip des vorgeschlagenen Verfahrens erläutert; -
6 ein prinzipielles Ablaufdiagramm eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung; und -
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung.
-
1 a conventional micromechanical sensor device; -
2 a first embodiment of a proposed micromechanical sensor device; -
3 the proposed micromechanical sensor device from Figure to two in a deflection; -
4 a further embodiment of a proposed micromechanical sensor device; -
5 a deflection diagram that explains an operating principle of the proposed method; -
6 a basic flowchart of a proposed method for producing a proposed micromechanical sensor device; and -
7 a flowchart of a method for operating a proposed micromechanical sensor device.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Aufgrund von mechanischem Stress (z.B. Gehäusestress, Temperaturstress, intrinsischer Schichtstress, usw.) können seismische Massenelemente einer mikromechanischen Sensoreinrichtung ohne angelegte Beschleunigung vorausgelenkt werden, was zu einem sogenannten Konstant-Offset, der in einer unerwünschten Spannung resultiert, führt. Um diesen Konstant-Offset zu kalibrieren, muss im Prinzip die Gesamtbeschleunigung des mikromechanischen Sensors für jede Sensiersachse bekannt sein. Ein Unterschied zu dieser vordefinierten Beschleunigung ist der genannte Konstant-Offset. Dies geschieht typischerweise während einer abschließenden Prüfung des Sensors in einem Herstellungsprozess.Due to mechanical stress (e.g. housing stress, temperature stress, intrinsic layer stress, etc.), seismic mass elements of a micromechanical sensor device can be deflected without applied acceleration, resulting in a so-called constant offset, which results in an undesired stress. In principle, in order to calibrate this constant offset, the total acceleration of the micromechanical sensor for each sensing axis must be known. A difference to this predefined acceleration is the named constant offset. This typically occurs during a final check of the sensor in a manufacturing process.
Der genannte Konstant-Offset kann sich im Laufe der Lebensdauer des Sensors ändern. Ein Problem bei der Neukalibrierung des Konstant-Offsets beim Kunden kann darin bestehen, dass keine klar definierte Beschleunigung vorhanden ist. Die Orientierung des Sensors im dreidimensionalen Raum ist typischerweise nicht bekannt und die 1g-Gravitation der Erde ist über alle drei Sensierachsen des Beschleunigungssensors willkürlich verteilt.The mentioned constant offset can change in the course of the lifetime of the sensor. A problem with recalibrating the constant offset at the customer's site can be that there is no clearly defined acceleration. The orientation of the sensor in three-dimensional space is typically not known and the 1g gravity of the earth is randomly distributed over all three sensing axes of the accelerometer.
Seitlich vom ersten seismischen Massenelement 10 ist ein zweites seismisches Massenelement 20 angeordnet, das über zwei Ankerelemente 3, 4 mit Federelementen 3a, 4a am Substrat verankert ist und die mit am Substrat verankerten statischen Elektroden 22a...22n funktional zusammenwirken. Im Ergebnis wird auf diese Weise bei einem mechanischen Stress auf das Substrat eine elektrische Offsetspannung erzeugt, die ein elektrisches Fehlsignal bewirkt und ein Betriebsverhalten der mikromechanischen Sensoreinrichtung 100 verschlechtert.A second seismic
Vorgeschlagen wird, einen kombinierten MEMS-Beschleunigungssensor mit mindestens zwei verschiedenen Steifigkeits-Masse-Verhältnissen (z.B. Hoch-g, Nieder-g) bereitzustellen, um den Offset beider Beschleunigungssensoren im Betrieb zu kalibrieren. Dabei sind beide Sensoren mit den gleichen Verankerungspunkten am Substrat verbunden, so dass ihre stressinduzierte Vorauslenkung relativ zu Sensorelektroden sehr ähnlich ist.It is proposed to provide a combined MEMS accelerometer with at least two different stiffness-to-mass ratios (e.g. high-g, low-g) to calibrate the offset of both accelerometers during operation. Both sensors are connected to the same anchoring points on the substrate, so that their stress-induced deflection relative to sensor electrodes is very similar.
Vorgeschlagen wird eine Realisierung des oben erläuterten Prinzips, welches in
Man erkennt, dass die beiden seismischen Massenelemente 10, 20 jeweils am selben Ankerelement 1, 2 mit Federelementen 1a, 1b, bzw. 2a, 2b verankert sind. Ferner ist erkennbar, dass die Elektroden 11a... 11n, 21a...21n der seismischen Massenelemente 10, 20 mit denselben, am Substrat verankerten statischen Elektroden 12a... 12n zusammen wirken. Im Ergebnis ist die Ausgestaltung derart, dass ein Schwerpunkt einer Gesamtheit der statischen Elektroden 12a... 12n in Detektionsrichtung (x-Richtung) der seismischen Massenelemente 10, 20 bzw. der Elektroden im Wesentlichen identisch ist. Die statischen Elektroden, die funktional mit den Elektroden (11a... 11n, 21a...21n) der seismischen Massenelemente (10, 20) zusammenwirken, sind definiert nahe aneinander angeordnet sind, vorzugsweise nur einige wenige µm.It can be seen that the two seismic
Im Ergebnis wirkt auf diese Weise von außen einwirkender Stress in gleicher Weise auf die beiden seismischen Massenelemente 10, 20 bzw. auf die statischen Elektroden 12a... 12n ein, wodurch im Ergebnis ein elektrisches Offsetsignal, welches dadurch erzeugt wird, auf einfache Weise aus einem Messsignal herausgerechnet werden kann. Ein Betriebsverhalten der derart ausgebildeten mikromechanischen Sensoreinrichtung 100 kann vorteilhaft wesentlich verbessert sein. Die Ausführungsform von
Im Gegensatz dazu verursacht eine „reale“ Beschleunigung einen Unterschied in der Auslenkung der beiden Sensoren, in Abhängigkeit vom jeweiligen Steifigkeits-MasseVerhältnis des Sensors. Ein Algorithmus kann verwendet werden, um die reale Beschleunigung vom Konstant-Offset zu unterscheiden, bzw. den Konstant-Offset aus dem Messsignal herauszurechnen.In contrast, a "real" acceleration causes a difference in the deflection of the two sensors, depending on the respective stiffness-to-mass ratio of the sensor. An algorithm can be used to distinguish the real acceleration from the constant offset, or to calculate the constant offset from the measurement signal.
Ein wesentlicher Beitrag zur stressinduzierten Ablenkung von (z.B. In-Plane) Beschleunigungsmessern ist die relative Verschiebung der Verankerungspunkte der seismischen Massenelemente gegenüber den statischen Messelektroden. Die seismischen Massenelemente von Beschleunigungssensoren sind typischerweise mittels Federn mit Verankerungspunkten am Untergrund verankert.A significant contribution to the stress-induced deflection of (e.g. in-plane) accelerometers is the relative displacement of the anchoring points of the seismic mass elements compared to the static measuring electrodes. The seismic mass elements of acceleration sensors are typically anchored to the subsoil by means of springs with anchoring points.
Vorgeschlagen wird, zwei getrennte seismische Massenelemente mittels Federelementen an den gleichen Verankerungspunkten mit dem Untergrund (z.B. Substrat) zu verbinden. Aufgrund der Beanspruchung werden diese Verankerungspunkte relativ zu ihren Sensorelektroden verschoben. Dies entspricht einer statischen Vorauslenkung jedes der beiden seismischen Massenelemente und führt zu einem konstanten Offset in beiden Messkanälen.It is proposed to connect two separate seismic mass elements to the subsoil (e.g. substrate) at the same anchoring points using spring elements. Due to the stress, these anchor points are displaced relative to their sensor electrodes. This corresponds to a static pre-deflection of each of the two seismic mass elements and leads to a constant offset in both measurement channels.
Wenn hingegen eine äußere Anregung, z.B. in Form einer Beschleunigung auf diese Struktur wirkt, werden beide seismischen Massenelemente 10, 20 unterschiedlich ausgelenkt. Wenn das Steifigkeits-Massenverhältnis eines seismischen Massenelements wesentlich höher ist (z.B. Hoch-g-Sensor) als ein anderen seismischen Massenelements, ist die Auslenkung signifikant geringer.If, on the other hand, an external excitation, e.g. in the form of an acceleration, acts on this structure, the two seismic
Anders ausgedrückt, führt jede durch mechanischen Stress verursachte Auslenkung zu einer gleichen Änderung eines Spaltabstands zwischen Elektroden, wohingegen jede durch Beschleunigung verursachte Auslenkung zu Spaltabstandsänderungen entsprechend den relativen Steifigkeits-Masse-Verhältnissen der beiden seismischen Massenelemente führt.In other words, any deflection caused by mechanical stress results in an equal change in a gap distance between electrodes, whereas any deflection caused by acceleration results in gap distance changes according to the relative stiffness-to-mass ratios of the two seismic mass elements.
In einer sehr kompakten Anordnung kann es vorteilhaft, ein Nieder-g-Massenelement als Ring auszubilden, das die Ankerelemente und das Hoch-g-Element umschließt (nicht dargestellt).In a very compact arrangement, it may be advantageous to form a low-g mass element as a ring enclosing the anchor elements and the high-g element (not shown).
Um eine Sensoreinrichtung 100 mit hoher Sensierkapazität bereitzustellen, kann es vorteilhaft sein, die beiden seismischen Massenelemente 10, 20 „elektrisch aufzuteilen“, indem beispielsweise die Ankerelemente 1, 2 in jeweils zwei elektrisch getrennte, aber lokal nahe gelegene Ankerelemente separiert werden, wie in
Diese Ausführungsform der vorgeschlagenen mikromechanischen Sensoreinrichtung 100 zeichnet sich durch eine „sehr dichte Detektionsstruktur“ aus. Man erkennt, dass bei dieser Variante die seismischen Massenelemente 10, 20 jeweils wieder an einem Ankerelement 1, 2 bzw. 3 und 4 mit Federelementen 1a, 2a, bzw. 3a, 4b verankert sind.This embodiment of the proposed
Die beiden Ankerelemente 1...4 sind derart nahe beieinander angeordnet, dass ein gemeinsamer Schwerpunkt der statischen Elektroden 12a... 12n in der Detektionsebene (x-y-Ebene) im Wesentlichen identisch ist, sodass ein von außen einwirkender Stress (z.B. durch mechanische oder thermische Verbiegung, usw.) auch ähnlich wie in den vor der Variante von
Die Variante der Ausführungsform von
Weitere nicht dargestellte Ausführungsformen können z.B. vorsehen, dass die seismischen Massenelemente 10, 20 U-förmig oder C-förmig ausgebildet sind und in einer Detektionsebene (x-y-Ebene) ineinandergreifen. Weitere nicht in Figuren dargestellte Ausführungsformen sehen vor, dass es sich nicht um einen out-of-plane-Beschleunigungssensor, der beispielsweise eine Wippenstruktur oder eine out-of plane Plattenstruktur aufweist.Other embodiments that are not shown can provide, for example, for the seismic
Im Ergebnis ist in beiden Fällen eine konstante Auslenkung OF erkennbar, d.h. eine aufgrund von Stress bewirkte Auslenkung, die aus einem Messsignal auf einfache Weise herausgerechnet werden kann.In both cases, the result is a constant deflection OF, i.e. a deflection caused by stress, which can easily be calculated from a measurement signal.
Denkbar ist auch, als Anwendungsfall unterschiedliche Testsignale zu beaufschlagen, um eine Sensitivität der mikromechanischen Sensoreinrichtung 100 zu ermitteln.It is also conceivable, as an application, to apply different test signals in order to determine a sensitivity of the
Vorteilhaft kann die vorgeschlagen mikromechanische Sensoreinrichtung 100 für alle MEMS-Sensorkonzepte, bei denen die Sensortechnik auf der Durchbiegung relativ zu Sensorelementen basiert (z.B. Beschleunigungssensoren, Gyroskope, Drucksensoren, usw.) eingesetzt werden.The proposed
In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines ersten seismischen Massenelements 10.In
In einem Schritt erfolgt 210 ein Bereitstellen eines zweiten seismischen Massenelements 20, wobei die beiden seismischen Massenelemente 10, 20 in unterschiedlichen Messbereichen messen, wobei die seismischen Massenelemente 10, 20 mit Federelementen 1a, 1b, 2a, 2b an denselben Ankerelementen 1, 2 fixiert werden, und wobei eine Gesamtheit von Substratverankerungen von statischen Elektroden 12a... 12n, die funktional mit Elektroden 11 a... 11 n, 21a...21n der seismischen Massenelemente 10, 20 zusammenwirken, im Wesentlichen im selben Schwerpunkt angeordnet wird.In a
In einem Schritt 300 erfolgt ein Generieren von Wertepaaren aus Messwerten, die jeweils mittels eines ersten seismischen Massenelements 10 und eines zweiten seismischen Massenelements 20 gemessen werden, wobei die seismischen Massenelemente 10, 20 in unterschiedlichen Messbereichen messen.In a
In einem Schritt 310 erfolgt ein Ermitteln eines Roh-Offset-Signals.In a
In einem Schritt 320 erfolgt ein Herausrechnen des Roh-Offset-Signals aus den in Schritt a) ermittelten Wertepaaren.In a
Das Verfahren gemäß
Obwohl vorgehend die vorgeschlagene mikromechanische Sensoreinrichtung eine In-Plane-Sensoreinrichtung offenbart ist, kann die Sensoreinrichtung auch als eine Out-of-Plane-Sensoreinrichtung realisiert werden, z.B. mit einer Wippenstruktur oder mit einem plattenförmigen Out-of-Plane Sensierelement.Although the proposed micromechanical sensor device is disclosed as an in-plane sensor device above, the sensor device can also be implemented as an out-of-plane sensor device, e.g. with a rocker structure or with a plate-shaped out-of-plane sensing element.
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.Although the invention has been described above on the basis of specific exemplary embodiments, the person skilled in the art can also implement embodiments that are not disclosed or only partially disclosed without departing from the core of the invention.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022200338.1A DE102022200338A1 (en) | 2022-01-13 | 2022-01-13 | Micromechanical sensor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022200338.1A DE102022200338A1 (en) | 2022-01-13 | 2022-01-13 | Micromechanical sensor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022200338A1 true DE102022200338A1 (en) | 2023-07-13 |
Family
ID=86895603
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022200338.1A Pending DE102022200338A1 (en) | 2022-01-13 | 2022-01-13 | Micromechanical sensor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022200338A1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006010103A1 (en) | 2006-03-06 | 2007-09-13 | Robert Bosch Gmbh | Contact sensor for a vehicle |
US20080314147A1 (en) | 2007-06-21 | 2008-12-25 | Invensense Inc. | Vertically integrated 3-axis mems accelerometer with electronics |
DE102008017156A1 (en) | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Micromechanical acceleration sensor |
DE102009045645A1 (en) | 2009-10-13 | 2011-04-14 | Robert Bosch Gmbh | Sensor device has base plate, inertial mass and spring, where distance of counter electrode from rotation axis is less than distance of another counter electrode from rotational axis |
DE102011082708A1 (en) | 2010-12-27 | 2012-06-28 | Mitsubishi Electric Corp. | accelerometer |
US20190212144A1 (en) | 2018-01-11 | 2019-07-11 | Invensense, Inc. | Proof mass offset compensation |
-
2022
- 2022-01-13 DE DE102022200338.1A patent/DE102022200338A1/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006010103A1 (en) | 2006-03-06 | 2007-09-13 | Robert Bosch Gmbh | Contact sensor for a vehicle |
US20080314147A1 (en) | 2007-06-21 | 2008-12-25 | Invensense Inc. | Vertically integrated 3-axis mems accelerometer with electronics |
DE102008017156A1 (en) | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Micromechanical acceleration sensor |
DE102009045645A1 (en) | 2009-10-13 | 2011-04-14 | Robert Bosch Gmbh | Sensor device has base plate, inertial mass and spring, where distance of counter electrode from rotation axis is less than distance of another counter electrode from rotational axis |
DE102011082708A1 (en) | 2010-12-27 | 2012-06-28 | Mitsubishi Electric Corp. | accelerometer |
US20190212144A1 (en) | 2018-01-11 | 2019-07-11 | Invensense, Inc. | Proof mass offset compensation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102009046807B4 (en) | Method for determining the sensitivity of an acceleration or magnetic field sensor | |
DE102008040855B4 (en) | Triaxial accelerometer | |
EP2394177B1 (en) | Acceleration sensor and method for operating an acceleration sensor | |
DE19649715C2 (en) | Arrangement for measuring accelerations | |
EP0394305B1 (en) | Device for measuring acceleration | |
DE102013007593B4 (en) | ACCELERATION SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING ACCELERATION SENSOR | |
DE102010028005A1 (en) | Micro gyroscope for detecting movements | |
DE102012207939A1 (en) | Spring stop for accelerometer | |
DE102013111787A1 (en) | Microelectromechanical structure for out-of-plane acceleration sensor, has substrate, testing mass suspended over substrate and armature fastened on substrate, where testing mass reacts to acceleration | |
DE102017219901B3 (en) | Micromechanical z-inertial sensor | |
DE102014101448A1 (en) | Accelerometer with low sensitivity to thermo-mechanical stress | |
DE102014202816A1 (en) | Rocker device for a micromechanical Z-sensor | |
DE10230528A1 (en) | Improvements in a deviation elimination system for a vibrating gyroscope | |
DE102011007350A1 (en) | Force-moment sensor for performing tactile measurement of force, moment and deformation, has support element spaced apart from set of supplementary parallel spring assemblies, and another support element that supports sensor at frame | |
DE102019200839A1 (en) | Micromechanical inertial sensor | |
DE102022200338A1 (en) | Micromechanical sensor device | |
DE102011083977B4 (en) | Method for calibrating a sensor and sensor | |
DE102014211054A1 (en) | Micromechanical acceleration sensor | |
EP1332374A1 (en) | Method and device for electrical zero balancing for a micromechanical component | |
DE102007048882A1 (en) | Acceleration sensor, has micromechanical functional part arranged over substrate, where functional part is fastened to substrate by two torsion springs over common hanging part that is fastened to substrate by two anchors | |
DE102018217841A1 (en) | Micromechanical inertial sensor | |
DE102008040567B4 (en) | Method for operating a sensor module and a sensor module | |
DE102020211924A1 (en) | Sensor component with a z-inertial microelectromechanical sensor and method for determining an acceleration using the z-inertial microelectromechanical sensor | |
EP2154538B1 (en) | Acceleration sensor and method for detecting acceleration | |
DE4431327A1 (en) | Micro-mechanical acceleration sensor with anti-stiction feature |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |