DE102022211541A1 - Mikromechanischer Sensor mit integriertem Stresssensor und Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals - Google Patents

Mikromechanischer Sensor mit integriertem Stresssensor und Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals Download PDF

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor mit einem MEMS-Substrat (10), auf dem in einer Kaverne (20) eine mikromechanische Struktur (30) mit wenigstens einer Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einem Kappensubstrat (40), welches über der mikromechanischen Struktur angeordnet ist und die Kaverne abschließt.Der Kern der Erfindung besteht darin, dass an einer Innenseite des Kappensubstrats eine kapazitive Elektrode (21) angeordnet ist, welche mit einem benachbarten mikromechanischen Strukturelement (31) auf dem MEMS-Substrat eine Messkapazität zur Messung eines Abstands (51) zwischen der kapazitiven Elektrode und dem mikromechanischen Strukturelement bildet.Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals eines solchen mikromechanischen Sensors

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor mit einem MEMS-Substrat, auf dem in einer Kaverne eine mikromechanische Struktur mit wenigstens einer Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einem Kappensubstrat, welches über der mikromechanischen Struktur angeordnet ist und die Kaverne abschließt.
  • 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 von RB vorzugsweise „Wippen“ 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 seismische Masse ist über mindestens eine, aus Symmetriegründen meist 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. Diese Beschleunigungssensoren werden in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben, beispielsweise in EP 0 244 581 und EP 0 773 443 B1 .
  • Trends in der Weiterentwicklung von z-Beschleunigungssensoren bestehen in der Verbesserung der Performance (insbesondere Reduktion von Offset und Rauschen) und der stetigen Miniaturisierung zur Kostenreduktion und zur Verwendung in neuen Applikationen mit starken Bauraumbeschränkungen wie zum Beispiel Wearables, Hearables, Smart Glasses oder Smart Contact Lenses.
  • Einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Leistung von Beschleunigungssensoren, insbesondere hinsichtlich Offset und Rauschen, erbringen modernere z-Sensor-Designs und zugehörige Technologien mit insgesamt drei Silizium-Schichten, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung DE 10 2009 000 167 A1 dargestellt sind. Ein solches Design führt zu geringeren Offset- und Empfindlichkeitsdriften bei Auftreten von Biegestress, beispielsweise aufgrund von Leiterplattenverbiegung oder thermomechanischem Stress.
  • Dieser kompakte z-Beschleunigungssensor kann zur weiteren Miniaturisierung in sogenannter hybrider oder vertikaler Integration verwendet werden. Dabei wird ein CMOS-ASIC als Kappenwafer für den MEMS-Wafer verwendet, und es werden neben einem Bondrahmen zur hermetischen Abdichtung der MEMS-Strukturen auch elektrische Kontakte zwischen den MEMS-Funktionselementen und dem ASIC hergestellt. Beispiele für vertikale Integrationsverfahren sind unter anderem in den Veröffentlichungen US 7 250 353 B2 , US 7 442 570 B2 , US 2010 0 109 102 A1 , US 2011 0 049 652 A1 , US 2011 0 012 247 A1 , US 2012 0 049 299 A1 und DE 10 2007 048 604 A1 beschrieben.
  • Diese vertikal integrierten Waferstacks können dann zu sogenannten Chip Scale Packages (CSP) weiterverarbeitet werden, bei denen jegliche Substrate, Kleber, Bonddrähte, Moldmassen etc. entfallen und unverpackte Silizium-Chips („bare die“) direkt auf die Applikationsleiterplatte montiert werden. Die externen elektrischen Kontakte des ASICs werden über Durchkontakte (through silicon vias) nach außen auf die Rückseite des ASICs geführt, können dort über eine Umverdrahtungsebene (RDL, redistribution layer) geleitet und über Lotperlen auf einer Applikationsleiterplatte kontaktiert werden. Die zeigt diese Konfiguration als weiteren Stand der Technik (die Abbildung entspricht im Wesentlichen der 6 der DE 10 2016 207 650 A1 ).
  • Aus den Veröffentlichungen DE 10 2012 208 032 A1 und DE 10 2015 217 921 A1 ist die Verwendung der obersten Metallschicht des CMOS-ASICs für zusätzliche Auswerteelektroden für einen z-Beschleunigungssensor bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen möglichst kompakten mikromechanischen Sensor zu schaffen, welcher die Messung und Kompensation von mechanischem Stresseinflüssen auf die mikromechanischen Strukturen ermöglicht sowie ein zugehöriges Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals.
  • Kern und Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor mit einem MEMS-Substrat, auf dem in einer Kaverne eine mikromechanische Struktur mit wenigstens einer Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einem Kappensubstrat, welches über der mikromechanischen Struktur angeordnet ist und die Kaverne abschließt. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass an einer Innenseite des Kappensubstrats eine kapazitive Elektrode angeordnet ist, welche mit einem benachbarten mikromechanischen Strukturelement auf dem MEMS-Substrat eine Messkapazität zur Messung eines Abstands zwischen der kapazitiven Elektrode und dem mikromechanischen Strukturelement bildet.
  • Der erfindungsgemäße mikromechanische Sensor erlaubt die Messung und Kompensation von mechanischem Stress innerhalb der Vorrichtung, bevorzugt innerhalb eines vertikal integrierten Inertialsensors, wie insbesondere eines z-Beschleunigungssensors, wobei für die Anordnung zur Stressmessung - im Gegensatz zum Stand der Technik - keine zusätzliche Fläche im Sensorkern benötigt wird. Durch die Messung des mechanischen Stresses können stressbedingte Empfindlichkeits- und Offset-Fehler des Beschleunigungssensors kompensiert werden.
  • Vorteilhaft ist die Verwendung von Zusatzelektroden in einer oberflächennahen Metalllage des CMOS-ASICs, welche gegenüber einer feststehenden Struktur auf dem MEMS Wafer liegen, während die Auswerteelektroden für den Inertialsensor auf dem MEMS-Wafer angeordnet sind. Als besonders bevorzugte Anordnung wird die Platzierung der Zusatzelektroden oberhalb der feststehenden Topelektroden eines z-Beschleunigungssensors vorgeschlagen, da diese Flächen vergleichsweise groß sind und daher eine große Kapazität mit hoher Messempfindlichkeit bereitgestellt werden kann. Der z-Beschleunigungssensor weist dabei eine Basis-Topologie gemäß der 1, 2 auf. Die Zusatzelektroden bilden Kapazitäten zu den Topelektroden, welche einzeln, summiert oder differentiell ausgewertet werden können. Auf ASIC-Seite werden vorteilhafterweise die oberste oder zweitoberste Metalllage verwendet, da diese den geringsten Abstand zur Oberseite der MEMS-Struktur aufweisen und daher bei Abstandsänderungen die größten Kapazitätsänderungen zeigen. Bei Auftreten von mechanischem Stress mit Komponenten senkrecht zur Chipebene, welche insbesondere bei Leiterplattenverbiegungen i. Allg. dominant sind, werden sich Abstandsänderungen zwischen den festen Topelektroden und den Zusatzelektroden einstellen, welche über die Messung der Kapazität C1,top und C2,top erfasst werden können. Die Kapazitäten C1,top und C2,top ändern sich dagegen nicht beim Auftreten von Beschleunigungen. Somit lassen sich Rückschlüsse auf den Beitrag von mechanischem Stress auf das Beschleunigungssensorsignal ziehen, und die entsprechenden Beiträge können vom Beschleunigungssignal subtrahiert werden, um geringere Offset- und Empfindlichkeitsfehler zu gewährleisten. Vorteilhafterweise benötigt die Anordnung keine Zusatzfläche im Chip, da der Bereich oberhalb der Topelektroden ansonsten ungenutzt wäre.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals eines mikromechanischen Sensors mit einem MEMS-Substrat, auf dem in einer Kaverne eine mikromechanische Struktur mit wenigstens einer Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einem Kappensubstrat, welches über der mikromechanischen Struktur angeordnet ist und die Kaverne abschließt. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet, dass mittels einer an einer Innenseite des Kappensubstrats angeordneten kapazitiven Elektrode, welche mit einem benachbarten mikromechanischen Strukturelement auf dem MEMS-Substrat eine Messkapazität zur Messung eines Abstands zwischen der kapazitiven Elektrode und dem mikromechanischen Strukturelement bildet, eine Korrektur des Sensorsignals erfolgt, wobei das Sensorsignal zumindest teilweise aus einer Sensor-Kapazität zwischen der Sensorelektrode und einem anderen Teil der mikromechanischen Struktur ermittelt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Verformungen des Sensors zu messen und deren Auswirkungen auf das Sensorsignal zu korrigieren.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Zeichnung
    • 1 zeigt schematisch in Kavalierperspektive einen z-Beschleunigungssensor im Stand der Technik.
    • 2 zeigt zu 1 im Schnitt AB den z-Beschleunigungssensor im Stand der Technik.
    • 3 zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor im Stand der Technik mit einem Halbleitersubstrat als Kappe.
    • 4 zeigt einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor in einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • 5 zeigt ein Kompensationsverfahren zur Signalkorrektur für einen mikromechanischen Sensor gemäß 4.
    • 6 zeigt die Korrelation der Messkapazität eines mikromechanischen Sensors gemäß 4 zu dessen Sensorsignal.
    • 7 zeigt einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    • 8 zeigt ein Kompensationsverfahren zur Signalkorrektur für einen mikromechanischen Sensor gemäß 7.
    • 9 zeigt einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor in einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt schematisch in Kavalierperspektive einen z-Beschleunigungssensor im Stand der Technik. 2 zeigt zu 1 den Schnitt AB. Über einem Substrat 10 ist zunächst eine Oxidschicht 100 angeordnet. Die mikromechanische Struktur 30 dieses z-Sensors wird aus drei Poly-Silizium-Schichten P1, P2, P3 gebildet, wobei die P1-Schicht zur Verdrahtung, die P2-Schicht für einen Teil der beweglichen Struktur und die P3-Schicht für einen weiteren Teil der beweglichen Struktur sowie zur Realisierung von Topelektroden genutzt wird.
  • Diese Sensor-Topologie zeigt wesentliche Vorteile ggü. älteren Wippendesigns, die nur aus einer Silizium-Funktionsschicht und einer Verdrahtungsschicht gebildet wurden. Hierzu zählen insbesondere eine erhöhte Kapazitätsdichte (also Kapazität/Fläche), da Bodenelektroden (C1BOT und C2BOT in der P1-Schicht) und Topelektroden (C1TOP und C2TOP in der P3-Schicht) verwendet werden, wodurch ein verbessertes Signal-RauschVerhältnis bei gleicher Sensorfläche (oder aber eine reduzierte Sensorfläche bei gleichbleibender Rauschperformance) erreicht werden kann. Üblicherweise erfolgt eine differentielle Auswertung der Kapazitäten gemäß dC = (C1TOP + C1BOT) - (C2TOP + C2BOT), somit tragen sowohl die Boden- als auch die Topelektroden zum Signal bei.
  • Ferner bewirkt die Anordnung von Sensorelektroden in Gestalt von Boden- und Topelektroden eine geringere Anfälligkeit ggü. Biegestress, da die Topelektroden zentral aufgehängt sind und die Bodenelektroden (aufgrund der durch die Topelektroden gebildeten Zusatzkapazität) etwas kompakter ausgeführt werden können. Die Sensorelektroden sind dabei auf dem MEMS-Substrat 10 verankert.
  • 3 zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor im Stand der Technik mit einem Halbleitersubstrat als Kappe. Dargestellt ist eine mikromechanische Vorrichtung mit einem MEMS-Substrat 10, auf dem in einer Kaverne 20 eine mikromechanische Struktur 30 angeordnet ist, und mit einem Kappensubstrat 40, welches über der mikromechanischen Struktur angeordnet ist und die Kaverne abschließt.
  • Das Kappensubstrat ist ein Halbleitersubstrat mit einem integrierten Schaltkreis (IC), nämlich ein ASIC mit CMOS Schichten 400. Die externen elektrischen Kontakte des ASICs werden über Durchkontakte 410 (TSV, through silicon vias) nach außen auf eine Rückseite geführt, können dort über eine Umverdrahtungsebene 420 (RDL, redistribution layer) geleitet und über Lotperlen 430 auf einer Applikationsleiterplatte kontaktiert werden.
  • 4 zeigt einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor in einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Sie entspricht der Vorrichtung in 3 mit dem Unterschied, dass an einer Innenseite des Kappensubstrats 40 eine kapazitive Elektrode 21 angeordnet ist, welche mit einem benachbarten mikromechanischen Strukturelement 31 auf dem MEMS-Substrat eine Messkapazität zur Messung eines Abstands 51 zwischen der kapazitiven Elektrode und dem mikromechanischen Strukturelement bildet. Daneben ist eine weitere kapazitive Elektrode 22 auf der Innenseite des Kappensubstrats angeordnet, welche mit einem weiteren benachbarten mikromechanischen Strukturelement 32 eine weitere Messkapazität zur Messung eines weiteren Abstands 52 zwischen der weiteren kapazitiven Elektrode und dem weiteren mikromechanischen Strukturelement bildet. Dazu sind auf der ASIC-Oberfläche, in diesem Fall in der obersten Metalllage, zwei Zusatzelektroden, auch bezeichnet mit CM1 und CM2, angeordnet, welche den Oberflächen von Sensorelektroden in Gestalt der Topelektroden C1TOP und C2TOP des z-Beschleunigungssensors gegenüber liegen. Die Elektrode CM1 bildet mit der Oberfläche der Elektrode C1TOP eine erste Zusatzkapazität CM1/C1TOP, im Folgenden vereinfacht als CZ1 bezeichnet, und entsprechend bildet die Elektrode CM2 mit der Oberfläche der Elektrode C2TOP eine zweite Zusatzkapazität CM2/C2TOP, im Folgenden vereinfacht als CZ2 bezeichnet. Abstandsänderungen zwischen mikromechanischen Strukturelementen 31, 32, nämlich den Topelektroden, und den Zusatzelektroden 21, 22, welche insbesondere durch mechanischen Stress induziert werden können, führen zu Änderungen der Kapazitäten, welche von einem ASIC-Frontend mit hoher Auflösung gemessen werden können.
  • Da sich mechanischer Stress in der Praxis meist nicht schlagartig ändert, kann die Messung der Zusatzkapazitäten zeitlich stark gemittelt erfolgen, um ein besonders rauscharmes Signal zu erhalten. Die Zusatzelektroden CM1 und CM2 sind galvanisch untereinander sowie vom Potential CM der beweglichen Struktur getrennt, so dass eine vom Signal des z-Beschleunigungssensors vollständig unabhängige Signalauswertung möglich ist. Die Auswertung der Zusatzkapazitäten kann also über getrennte ASIC-Frontends oder aber durch Umschalten (Multiplexing) eines einzigen Frontends erfolgen.
  • 5 zeigt ein Kompensationsverfahren zur Signalkorrektur für einen mikromechanischen Sensor gemäß 4.
  • Beschrieben wird das grundsätzliche Verfahren, wie die Zusatzelektroden bzw. Zusatzkapazitäten in der Praxis zum Einsatz kommen können. In einem ersten Schritt 100 müssen Bauteil-spezifische Trainingsdaten erstellt werden. Hierzu wird ein definiertes Ensemble von Sensoren verwendet, beispielsweise einige hundert oder einige tausend Bauelemente, welche auf eine speziell für Biegeversuche vorbereitete Leiterplatte gelötet werden. Bei diesen Sensoren wird einerseits das Signal des Beschleunigungssensors dC (σ, T) bei Variation des äußeren mechanischen Stresses ausgelesen. Bis auf die Erdbeschleunigung liegt in diesem Prüfschritt keine Beschleunigung an. Andererseits werden die Änderungen der Zusatzkapazitäten CZ1 (σ, T) und CZ2 (σ, T) ermittelt.
  • 6 zeigt die Korrelation der Messkapazität eines mikromechanischen Sensors gemäß 4 zu dessen Sensorsignal.
  • Trägt man die stressabhängigen Beschleunigungssensordaten gegen die stressabhängigen Daten der Zusatzkapazitäten auf, wie in 6 für die Zusatzkapazität CZ1 skizzenhaft dargestellt, werden sich typspezifische, also von den geometrischen Verhältnissen des Bauelements abhängige, Korrelationen zwischen den Signalen ergeben, welche sich im einfachsten Fall über Korrelationsfaktoren V1 und V2 beschreiben lassen. Dies erfolgt in einem Schritt 110. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Korrelationsfaktoren V1, V2 nicht unbedingt direkt aus den Geradensteigungen entsprechend 6 ablesen lassen, sondern in einem multidimensionalen Optimierungsverfahren ermittelt werden müssen, bei dem beide Zusatzkapazitäten CZ1 und CZ2 geeignet mit dem Beschleunigungssensorsignal korreliert werden. Dabei kann auch die Differenz CZ1 - CZ2 in den Korrekturalgorithmus eingehen. Es ist auch denkbar, dass bei diesen Korrelationen nichtlineare Terme, also Korrekturterme höherer Ordnung, welche die Messkapazität CZ1, CZ2 oder die Differenz CZ1 - CZ2 in quadratischer, kubischer oder höherer Ordnung enthalten, ermittelt und später für die Signalkorrektur berücksichtigt werden. Auf diese Weise können auch komplexere Zusammenhänge zwischen dem Sensorsignal und den Zusatzkapazitäten CZ1, CZ2 erfasst werden. Dies ermöglicht eine noch präzisere Korrektur des Sensorsignals mittels der Zusatzkapazitäten CZ1, CZ2.
  • Im einfachsten Fall werden nur die Korrelationsfaktoren V1, V2 abgeleitet, welche einen Ensemble-Mittelwert darstellen (Schritt 110). Starke Bauteil-individuelle Streuungen können mit dem Ensemble-Ansatz nicht korrigiert werden, da in diesem einfachen Fall nur der Ensemble-Mittelwert in die Korrelationsfaktoren eingeht. Es ist in einer Ausgestaltung des Verfahrens jedoch auch denkbar, dass zusätzliche Sensorparameter wie Schichtdicken, laterale oder vertikale Abstände zwischen den MEMS-Strukturelementen oder auch Daten aus der Aufbau- und Verbindungstechnik, welche z. B. aus Fertigungsdaten bekannt sind, bei der Erstellung der Korrelationen Berücksichtigung finden und eine weitere Verfeinerung des Korrekturverfahrens ermöglichen. Aus Gründen der Einfachheit wird aber auf eine eingehendere Darstellung dieser denkbaren und in der Erfindung gedanklich eingeschlossenen Verfahren verzichtet.
  • Die Messung der Stressabhängigkeit innerhalb des Ensembles kann grundsätzlich auch bei mehreren Temperaturen T durchgeführt werden. Oder es kann ohne Anlegen von variablem mechanischen Stress nur die Temperatur verändert werden. Mit beiden Verfahren können auch temperaturabhängige Stressbeiträge, also Signaländerungen durch thermomechanischen Stress aufgrund von unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten, ermittelt werden. Somit können die Korrelationsfaktoren auch eine Temperaturabhängigkeit V1(T) und V2(T) aufweisen, welche sich für das Ensemble als Mittelwert bestimmen lässt, um auch eine Temperatur-spezifische Kompensation des Beschleunigungssensorsignals vorzunehmen. Üblicherweise verfügen die Auswerte-ASICs über integrierte Temperatursensoren, so dass bei Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der Korrelationsfaktoren V1(T), V2(T) eine Signalkorrektur nicht nur bei einer Temperatur, sondern bei beliebigen Betriebstemperaturen erfolgen kann.
  • Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte 100, 110 erfolgten auf Ensemble-Ebene. Idealerweise müssen Ensemble-Trainingsdaten vor dem Produktionsstart eines neuen Sensors nur ein einziges Mal erstellt werden und können dann während der nachfolgenden Hochvolumen-Produktion für alle Einzelbauelemente verwendet werden.
  • Die nachfolgenden Verfahrensschritte 200 - 240 spielen sich dagegen auf Einzelbauelement-Ebene ab, gelten also für jedes beim Endkunden eingesetzte Einzelbauelement. In einem Schritt 200 erfolgt gemäß dem Stand der Technik ein Abgleich von Empfindlichkeit und Offset der Einzelbauelemente. Anschließend werden die Einzelbauelemente zum Kunden verschickt und in dessen Applikation montiert (210), typischerweise mittels Lötens auf eine Leiterplatte eines Endgeräts, z. B. eines Smartphones oder Wearables. Im Betrieb des Endgeräts wird der Beschleunigungssensor ausgelesen (220). Das ausgewertete Signal dC(a, σ, T) wird neben der eigentlich zu messenden Beschleunigung a auch parasitäre Effekte durch mechanischen Stress σ und durch Änderungen der Temperatur T enthalten. Im erfindungsgemäßen Verfahrensschritt 230 erfolgt eine Messung der Zusatzkapazitäten CZ1 (σ, T) und CZ2 (σ, T). Diese Messung kann prinzipiell kontinuierlich erfolgen. Da sich aber, wie bereits oben erwähnt, mechanischer Stress i. Allg. nicht schlagartig ändert, wird es in vielen Fällen genügen, die Messung der Zusatzkapazitäten als Testsignal über einen speziellen Triggerbefehl von ASIC-Seite aus gezielt zu definierten Zeitpunkten auszulösen, z. B. bei jedem Start des Sensors, nach definierten Zeitintervallen, bei Über-/Unterschreiten bestimmter Temperaturpunkte, oder bei definierten Ereignissen, beispielsweise beim Start einer App auf einem Smartphone oder Wearable Device, bei der eine besonders hohe Genauigkeit des Beschleunigungssensors (insbesondere ein geringer Offset- und/oder Empfindlichkeitsfehler) erforderlich ist.
  • Mittels der zuvor am Ensemble ermittelten Korrelationsfaktoren V1(T), V2(T) kann nun eine Signalkorrektur des Beschleunigungssensorsignals erfolgen gemäß dCkorr (a, T) = dC (a, σ, T) - V1(T) * [CZ1 (σ, T) - CZ1 (σ = 0, T)] - V2(T) * [CZ2 (σ, T) - CZ2 (σ = 0, T)]. Damit wird das Beschleunigungssensorsignal weitgehend von Beiträgen durch mechanischen und thermomechanischen Stress befreit, und entsprechend reduziert sind Offset- und Empfindlichkeitsfehler. Wie oben erwähnt, ist es grundsätzlich bei der Signalkorrektur möglich, auch höhere Terme, also nichtlineare Beiträge in der Korrelation zwischen Sensorsignal und Zusatzkapazitäten, zu berücksichtigen.
  • 7 zeigt einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Je nach Position des z-Beschleunigungssensors innerhalb des Chips und je nach Einbausituation des Chips auf einer Leiterplatte oder in einem Chiplet können sich die Zusatzkapazitäten CZ1 und CZ2 sehr ähnlich oder aber recht unterschiedlich bei Variation des mechanischen Stresses verhalten. Sofern sie sich sehr ähnlich verhalten, liefert die getrennte Auswertung der beiden Zusatzkapazitäten keine signifikante Zusatzinformation, und es kann dann aus Gründen der Einfachheit der Auswerteschaltung und des Korrekturverfahrens sinnvoll sein, die beiden zuvor getrennten kapazitiven Elektroden 21, 22 auf ein gemeinsames Potential CM1 zu legen und gemeinsam auszuwerten. Die Summenkapazität (C1TOP + C2TOP)/CM1 wird im Folgenden vereinfacht als Cz bezeichnet.
  • 8 zeigt ein Kompensationsverfahren zur Signalkorrektur für einen mikromechanischen Sensor gemäß 7.
  • Das Korrekturverfahren entspricht weitgehend dem der 5. Die Schritte 300 und 310 entsprechen den Schritten 100 und 110. Die Schritte 400, 410 und 420 entsprechen den Schritten 200, 210 und 220. Statt der beiden Zusatzkapazitäten CZ1, CZ2 wird jedoch nun im Schritt 430 nur noch die eine Zusatzkapazität CZ (σ, T) berücksichtigt. Im Schritt 440 erfolgt eine Signalkorrektur des Beschleunigungssensorsignals gemäß dCkorr (a, T) = dC (a, σ, T) - V(T) * [CZ (σ, T) - CZ (σ = 0, T)].
  • Bei der Erstellung der Ensemble-Trainingsdaten werden natürlich nicht unbedingt nur die Daten des z-Beschleunigungssensors gemessen, sondern es können auch andere Sensordaten gleichzeitig erfasst werden, z. B. der x- und y-Kanal eines dreiachsigen Beschleunigungssensors sowie die drei Drehratensensor-Kanäle bei einer IMU (Inertial Measurement Unit), bei der ein dreiachsiger Beschleunigungssensor mit einem dreiachsigen Drehratensensor kombiniert wird. Sofern definierte Korrelationen zwischen den anderen Sensorkanälen und den Zusatzkapazitäten festgestellt werden, können diese Korrelationen selbstverständlich auch zur Korrektur der Signale der anderen Sensorkanäle genutzt werden.
  • Die Anordnung der Zusatzelektroden oberhalb der Topelektroden eines z-Beschleunigungssensors wie in den Ausführungsbeispielen der 4 und 7 ist als besonders vorteilhaft zu betrachten, da die zur Verfügung stehende Fläche vergleichsweise groß ist und daher eine recht große Zusatzkapazität gebildet werden kann. Grundsätzlich ist es aber erfindungsgemäß denkbar, Zusatzelektroden auf dem ASIC gegenüber von anderen/weiteren nicht beweglichen MEMS-Strukturen wie z. B. mechanischen Verankerungsblöcken anzuordnen. 9 zeigt dazu beispielhaft einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor in einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • In jedem Fall sind nur die kapazitive Elektrode 21 und ggf. die weitere kapazitive Elektrode 22 auf dem Kappensubstrat angeordnet. Alle mikromechanischen Strukturen, einschließlich der Messelektroden sind an dem MEMS Substrat angeordnet. Dies ist insofern vorteilhaft, als der Stresseintrag in den ASIC bei den erfindungsgemäßen Anordnungen der 4, 7 und 9 unmittelbar über die (nicht dargestellte) Leiterplatte, auf die das Bauelement gelötet ist, erfolgt, die MEMS-Strukturen mit ihren Auswerteelektroden aber von der Leiterplatte abgewandt liegen. Infolgedessen wird der Stresseintrag in das MEMS-Substrat, insbesondere an den Auswerteelektroden, vergleichsweise reduziert sein, aber die Zusatzkapazitäten zwischen ASIC und MEMS werden relativ stark auf Stress reagieren. Daher können die Zusatzkapazitäten als hochgenauer Stresssensor eingesetzt werden, um auch vergleichsweise kleine Stresseffekte im MEMS-Substrat präzise zu korrigieren. Im Gegensatz hierzu würde eine Anordnung mit Auswerteelektroden auf dem ASIC stärker von Stresseffekten betroffen sein. Selbst mit einem hochgenauen Stresssensor würden die Restfehler nach Korrektur größer sein als bei einer Anordnung mit kleineren Initialfehlern an den Auswerteelektroden.
  • In den beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Korrelationsfaktoren über Trainingsdaten, ermittelt an einem Ensemble von Sensoren, ermittelt. Prinzipiell ist es denkbar, wenn auch mit deutlich höherem Aufwand im Abgleich verbunden, während des finalen Test- und Abgleichverfahrens auch einen mechanischen Stress-Stimulus auf das Bauteil zu geben und die Korrelationsfaktoren Bauteil-individuell zu ermitteln und in den Abgleichregistern des ASICs zu speichern, um eine weiter verbesserte Stresskompensation zu erreichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    MEMS-Substrat
    20
    Kaverne
    21
    kapazitive Elektrode
    22
    weitere kapazitive Elektrode
    30
    mikromechanische Struktur
    31
    mikromechanisches Strukturelement
    32
    weiteres mikromechanisches Strukturelement
    40
    Kappensubstrat
    51
    Abstand
    52
    weiterer Abstand
    100
    Oxidschicht
    300
    Torsionsfeder
    310
    Torsionsachse
    410
    Durchkontakt
    420
    Umverdrahtungsebene
    430
    Lotperle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • EP 0773443 B1 [0002]
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    • US 7442570 B2 [0005]
    • US 20100109102 A1 [0005]
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    • US 20120049299 A1 [0005]
    • DE 102007048604 A1 [0005]
    • DE 102016207650 A1 [0006]
    • DE 102012208032 A1 [0007]
    • DE 102015217921 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Mikromechanischer Sensor mit einem MEMS-Substrat (10), auf dem in einer Kaverne (20) eine mikromechanische Struktur (30) mit wenigstens einer Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einem Kappensubstrat (40), welches über der mikromechanischen Struktur angeordnet ist und die Kaverne abschließt, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Innenseite des Kappensubstrats eine kapazitive Elektrode (21) angeordnet ist, welche mit einem benachbarten mikromechanischen Strukturelement (31) auf dem MEMS-Substrat eine Messkapazität zur Messung eines Abstands (51) zwischen der kapazitiven Elektrode und dem mikromechanischen Strukturelement bildet.
  2. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kappensubstrat (40) ein Halbleitersubstrat ist, welches insbesondere eine integrierte Schaltung aufweist.
  3. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Strukturelement (31) unbeweglich ausgestaltet ist.
  4. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des Kappensubstrats (40) eine weitere kapazitive Elektrode (22) angeordnet ist, welche mit einem weiteren benachbarten mikromechanischen Strukturelement (32) eine weitere Messkapazität zur Messung eines weiteren Abstands (52) zwischen der weiteren kapazitiven Elektrode und dem weiteren mikromechanischen Strukturelement bildet.
  5. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Vorrichtung ein z-Beschleunigungssensor ist, wobei das benachbarte mikromechanische Strukturelement (31) eine feststehende Sensorelektrode zur Messung einer Beschleunigung ist.
  6. Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals eines mikromechanischen Sensors mit einem MEMS-Substrat (10), auf dem in einer Kaverne (20) eine mikromechanische Struktur (30) mit wenigstens einer Sensorelektrode angeordnet ist, und mit einem Kappensubstrat (40), welches über der mikromechanischen Struktur angeordnet ist und die Kaverne abschließt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer an einer Innenseite des Kappensubstrats angeordneten kapazitiven Elektrode (21), welche mit einem benachbarten mikromechanischen Strukturelement (31) auf dem MEMS-Substrat eine Messkapazität zur Messung eines Abstands (51) zwischen der kapazitiven Elektrode und dem mikromechanischen Strukturelement bildet, eine Korrektur des Sensorsignals erfolgt, wobei das Sensorsignal zumindest teilweise aus einer Sensor-Kapazität zwischen der Sensorelektrode und einem anderen Teil der mikromechanischen Struktur (30) ermittelt wird.
  7. Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals eines mikromechanischen Sensors nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vom Sensorsignal ein Korrekturbeitrag subtrahiert wird, welcher aus der Messkapazität und mindestens einem Korrelationsfaktor V gebildet wird.
  8. Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals eines mikromechanischen Sensors nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Korrelationsfaktor V eine Temperaturabhängigkeit aufweist und die Korrektur des Sensorsignals temperaturabhängig erfolgt.
  9. Verfahren zur Signalkorrektur eines Sensorsignals eines mikromechanischen Sensors nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des Sensorsignals auch Terme mindestens zweiter Ordnung der Messkapazität umfasst.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Messkapazität zur Korrektur der Sensorsignale von mehreren Sensorkanälen verwendet wird.
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