DE10250358A1

DE10250358A1 - Sensormodul zur Messung mechanischer Kräfte

Info

Publication number: DE10250358A1
Application number: DE2002150358
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Wecker; Josef Gantioler; Erich Hufgard
Original assignee: Infineon Technologies AG; Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG; Siemens AG
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: DE10250358B4

Abstract

Ein Sensormodul weist einen durch die zu messende mechanische Kraft mindestens in Abschnitten (4b) verformbaren und an einem Substrat (10) fixierten Träger (4) auf. Mit dem Träger (4) gekoppelt ist mindestens ein GRM- oder TMR-Sensorelement (1), das mit einer Widerstandsänderung auf sich ändernde Druck- und/oder Zugspannungen im Träger (4) reagiert. Mit dem GMR- oder TMR-Sensorelement (1) verbunden ist eine den sich ändernden elektrischen Widerstand erfassende Auswerteeinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul zur Messung mechanischer Kräfte.
Zur Erfassung mechanischer Kräfte wie Druck, Beschleunigung, Drehmoment oder Torsion stehen eine Reihe mechanischer und mikromechanischer Sensormodule, wie zum Beispiel Druckmessdosen, Feder-Masseschwinger, Torsionsstäbe oder ähnliches zur Verfügung. Die Sensormodule bestehen aus einer Vorrichtung, auf die die zu messende Kraft einwirken kann und aus Sensorelementen, die auf diese Wirkung reagieren und deren Reaktion gemessen wird.
Wie in der DE 41 30 044 C2 beschrieben, werden z.B. Dehnungsmessstreifen, und wie in der EP 0 780 675 B1 ausgeführt, piezoresistive Elemente bei Drucksensormodulen, verwendet. Ein Sensormodul, das mittels komplexer Strukturen den kapazitiven Effekt zur Messung von Drehmomenten ausnützt, wird in der EP 0 718 632 B1 beschrieben.
Die genannten Sensormodule enthalten sensitive Elemente, die zum Teil sehr aufwändig zu strukturieren sind und deren Empfindlichkeit begrenzt ist. So ist z.B. für die Auswertung des piezoelektrischen Effektes bei piezoresistiven Drucksensormodulen auf Siliziumbasis gemäß der EP 0 780 675 B1 eine Mindestgröße einer Membran erforderlich. Das bedeutet, dass die Vorrichtung, auf die die zu messende Kraft einwirkt, ausreichend groß sein muss, damit eine Wirkung am Sensorelement erzielt werden kann. Einer weiteren Miniaturisierung der herkömmlichen Sensormodule sind also durch Größe und Empfindlichkeit der verwendeten Sensorelemente Grenzen gesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensormodul zur Erfassung mechanischer Kräfte zur Verfügung zu stellen, das gegenüber herkömmlichen Sensormodulen eine gesteigerte Empfindlichkeit bei einer kleineren Baugröße aufweist.
Das die Aufgabe lösende Sensormodul umfasst

– einen durch die zu messende, mechanische Kraft mindestens in Abschnitten verformbaren and an einem Substrat fixierten Träger,
– mindestens ein mit dem Träger gekoppeltes GMR- oder TMR-Sensorelement, das einen sich in Abhängigkeit einer Zug- oder Druckspannung im Träger ändernden elektrischen Widerstand aufweist, und
– eine mit dem GMR- bzw. TMR-Sensorelement verbundene und einen sich durch das Einwirken der mechanischen Kraft auf den Träger einstellenden elektrischen Widerstand erfassende Auswerteeinheit.

Die zu messende Kraft wirkt auf den Träger ein und verursacht eine Änderung der Druck- bzw. Zugspannungsverhältnisse im Träger. Das auf dem sehr großen magnetoresistiven (GMR) Effekt beruhende GMR-Sensorelement reagiert mit einer Veränderung seines Widerstandes auf geänderte Druck- bzw. Zugspannungsverhältnisse im mit dem GMR-Sensorelement gekoppelten Träger. Die mit dem GMR-Sensorelement verbundene Auswerteeinheit erfasst den geänderten Widerstand am GMR-Sensorelement und wertet ihn aus.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass das GMR-Sensorelement im Vergleich zu den oben genannten Sensorelementen, wie in der US 5 168 760 beschrieben, eine sehr viel größere Empfindlichkeit gegenüber Druck- und Zugspannungsänderungen, die im Träger durch das Einwirken der mechanischen Kraft auftreten, aufweist. Aufgrund der höheren Empfindlich keit und der Kleinheit von GMR-Sensorelementen lässt sich die Baugröße der verwendeten Sensormodule weiter miniaturisieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass GMR-Sensorelemente auf unterschiedlichste Trägerformen, elastisch verformbare für Mehrfachanwendungen und nicht elastische, für unterschiedliche Sensormodule einfach zu aufzubringen sind. All diese Eigenschaften führen zu einer deutlich verbesserten und vereinfachten Integrierbarkeit sowohl des Sensorelementes als auch eines Sensormoduls in Halbleitereinrichtungen.
Ähnliche Vorteile wie GMR-Sensorelemente bieten auch TMR-(Tunnel-Magneto-Resistive-)Sensorelemente, mit denen sogar noch höhere Empfindlichkeiten und kleinere Abmessungen zu erzielen sind. Im Folgenden sollen daher unter Sensorelementen GMR- und auch TMR-Sensorelemente verstanden werden. Es soll zunächst auf die folgenden vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung verwiesen werden:
Das Sensormodul weist einen Träger mit mindestens einem fixierten Abschnitt und einem beweglichen Abschnitt auf. Auf dem beweglichen Abschnitt ist in einem Bereich maximaler Zugspannung ein Sensorelement. Auf den beweglichen Abschnitt wirkt eine Beschleunigungskraft ein und verändert die Position des beweglichen Abschnittes, was je nach Richtung der Beschleunigungskraft zu geänderten Druck- bzw. Zugspannungen im Träger führt. Das Sensorelement reagiert auf diese Änderung mit einem geänderten Widerstand, der von der Auswerteeinheit detektiert wird. Der bewegliche Abschnitt transformiert also die Beschleunigungskraft in eine detektierbare Druck- bzw. Zugspannungsänderung im Träger.
Bei dieser Anordnung ist der herkömmliche Dehnungsmessstreifen durch ein Sensorelement ersetzt, was eine Steigerung der Empfindlichkeit des Sensormodules zur Folge hat. In der Folge erweitern sich dessen Einsatzmöglichkeiten erheblich.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Sensormodules wird der bewegliche Abschnitt zwischen fixierten Abschnitten angeordnet. Auf dem beweglichen Abschnitt befindet sich eine seismische Masse und am. Rand des beweglichen Abschnittes das Sensorelement. Wirkt auf die seismische Masse die Beschleunigungskraft, so wird der Träger deformiert, die dadurch sich ändernde Druck- bzw. Zugspannung im Träger wird vom Sensorelement in eine Widerstandsänderung übersetzt, die von der Auswerteeinheit detektiert wird.
Beide Sensormodule zur Beschleunigungsmessung zeichnen sich durch Einfachheit im Aufbau bei hoher Sensitivität aus. Auf herkömmliche, in der Regel aufwändig zu prozessierende, kammartigen Strukturen zur kapazitiven Beschleunigungsmessung kann mittels obiger Anordnungen verzichtet werden.
Ein Sensormodul zur Druckmessung besteht aus einem Träger mit am Substrat fixierten Abschnitten und einen einen Referenzdruck aufweisenden Hohlraum im Substrat, der durch den verformbaren Abschnitt des als Membran ausgebildeten Trägers abgeschlossen wird. Ein erstes Sensorelement ist dabei in einem zentralen Bereich der Membran angeordnet, der in einem verformten Zustand der Membran eine maximale Druckspannung aufweist. Ein zweites Sensorelement ist in einem peripheren, im verformten Zustand der Membran eine maximale Zugspannung aufweisenden Bereich angeordnet.
Der äußere Umgebungsdruck bewirkt eine Verformung der Membran und damit sich ändernde Druck- bzw. Zugspannungen an den Sensorelementen. Die Sensorelemente transformieren die geänderten Druck- bzw. Zugspannungen jeweils in eine Widerstandsän derung. Die Widerstandsänderungen werden durch die Auswerteeinheit erfasst. Die Auswertung des GMR- bzw. TMR-Effektes anstelle des piezoelektrischen Effektes bei piezoresistiven Drucksensormodulen auf Siliziumbasis hat den Vorteil einer kleineren Baugröße der Membran, da die für den GMR- bzw. TMR-Effekt notwendige relative Dehnung geringer ist als bei piezoresistiven Drucksensoren.
Ein Sensormodul zur Messung eines Drehmomentes besteht erfindungsgemäß aus einem um die Längsachse tordierbaren Träger einer Länge L, der mindestens an einem Ende an einem Substrat befestigt ist. Bei im Wesentlichen L/2 sind einander paarweise gegenüberliegende, Druck- und/oder Zugspannungen im Träger aufnehmende Sensorelemente angeordnet.
Gegenüber herkömmlichen Torsionsstäben, bei denen die Auswertung der Verdrehung mittels optischer oder magnetischer Wegaufnehmer vorgenommen wird, stellt die obige Anordnung eine Vereinfachung bei mindestens gleich bleibender Empfindlichkeit dar. Auch gegenüber auf Torsionsstäben angeordneten Dehnungsmessstreifen hat obige Anordnung den Vorteil einer gesteigerten Empfindlichkeit.
Da sich die erfindungsgemäßen Sensormodule in höherem Maße als herkömmliche Sensormodule miniaturisieren lassen, sind die oben genannten Sensormodule in eine Halbleitereinrichtung integrierbar. Damit ist sowohl die Vorrichtung zur Aufnahme der zu messenden Kraft, als auch die Auswerteeinheit in ein einziges Halbleitersubstrat zu integrieren. Dies eröffnet eine Vielzahl von neuen Einsatzmöglichkeiten von Sensormodulen.
Die Kleinheit von Sensorelementen ermöglicht es, eine Mehrzahl von Sensorelementen auf dem Träger anzubringen, ohne die Baugröße des Gesamtsensormodules zu steigern.
Dies lässt sich ausnutzen, um zum Beispiel ein Temperatur unabhängiges Ausgangssignal zu erhalten, indem eine auf dem Träger vorgesehene gerade Anzahl von Sensorelementen und eine auf dem Substrat vorgesehene gerade Anzahl von Referenz-Sensorelementen elektrisch in der Art einer Brückenschaltung verbunden werden.
Durch die Anordnung einer Mehrzahl von Sensorelementen auf dem Träger, die mit der Auswerteeinheit verbunden sind, lässt sich eine hohe Redundanz und damit eine erhöhte Zuverlässigkeit der Sensormodule erreichen, weil defekte Sensorelemente durch die Auswerteeinheit erkennbar und abschaltbar sind.
Eine Steigerung des Signal-Rauschverhältnisses lässt sich ebenfalls durch die Anordnung einer Mehrzahl von Sensorelementen auf dem Träger erreichen, indem die Sensorelemente in bei Einwirkung der mechanischen Kraft unterschiedliche Zug- bzw. Druckspannung aufweisenden Bereichen des Trägers angeordnet sind. Die Sensorelemente sind mit der Auswerteeinheit verbunden, die dann dasjenige Sensorelement ermittelt und auswertet, das an einem gegebenen Ort auf dem Träger bei gegebener Zug- bzw. Druckspannung näherungsweise in seinem optimalen Messbereich arbeitet.
Aufgrund der stärkeren Miniaturisierung ist es auch auf Sensormodulebene leichter möglich, eine Mehrzahl von Sensormodulen zu Sensormodularrays zusammen zu fassen. Ein Sensormodularray ermöglicht zum einen eine Erhöhung der Redundanz, zum anderen eine höhere laterale Auflösung der zu messenden Kraft. Eine als Sensormodularray ausgebildete Messanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheiten einer Mehrzahl von Sensormodulen mit einer hierarchisch übergeordneten Auswerteeinrichtung verbunden sind und durch die Aus werteeinrichtung defekte Sensormodule detektierbar und für die Auswertung abschaltbar sind.
Das Signal/Rauschverhältnis lässt sich auch auf Sensormodulebene weiter steigern, indem die Auswerteeinheiten einer Mehrzahl von Sensormodulen, die jeweils auf unterschiedliche Messbereiche abgestimmt sind, mit der Auswerteeinrichtung verbunden sind. Die Auswerteeinrichtung ermittelt dann das Sensormodul, das näherungsweise in seinem optimalen Messbereich arbeitet und wertet es aus.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, wobei für einander entsprechende Bauteile und Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
1 Einen schematischen Querschnitt durch ein Drucksensormodul nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 einen schematischen Querschnitt durch ein Beschleunigungssensormodul nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Beschleunigungssensormodul nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine schematische Ansicht einer Anordnung von GMR-Sensorelementen nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
5 eine schematische Draufsicht sowie eine schematische Darstellung der elektrischen Verschaltung einer An ordnung von Sensorelementen nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der 1 ist in einem Substrat 10 ein Hohlraum 3 vorgesehen, der einen Referenzdruck PR aufweist. Der Hohlraum 3 ist durch einen Träger 4, der hier als eine Membran ausgebildet ist, abgeschlossen. Auf der Membran 4 befinden sich zentral und peripher GMR-(oder TMR-)Sensorelemente 1a, 1b. Ein zu messender äußerer Umgebungsdruck PU bewirkt eine Deformierung der Membran 4, und damit eine Veränderung der Druck- bzw. Zugspannungen in der Membran 4. Die geänderten Druck- bzw. Zugspannungen führen zu einer Widerstandsänderung der GMR-Sensorelemente 1a, 1b.
In der 2 ist ein in Abschnitten 4a auf einem Substrat 10 fixierter Träger 4. Ein weiterer Abschnitt 4b des Trägers 4 ist beweglich. Ein GMR-(oder TMR-)Sensorelement 1 ist in der Nähe des Übergangs zwischen dem fixierten 4a und dem beweglichen 4b Abschnitt des Trägers 4 angeordnet. Die zu messende Beschleunigungskraft bewirkt eine Auslenkung des beweglichen Abschnittes 4b, was zu einer starken Druck- bzw. Zugspannungsänderung an der Stelle im Träger führt, an der sich das GMR-Sensorelement befindet, das mit einer Widerstandsänderung reagiert.
In der 3 ist in einem Substrat 10 ein Hohlraum 2 vorgesehen. Der Hohlraum 2 ist durch einen Träger 4 mit fixierten Abschnitten 4a und einem verformbaren Abschnitt 4b, abgeschlossen. Auf dem verformbaren Abschnitt 4b befindet sich im Zentrum eine seismische Masse 5 und an der Peripherie des verformbaren Abschnittes 4b das GMR-(oder TMR-)Sensorelement 1. Die zu messende Beschleunigungskraft drückt auf die seismische Masse 5, wodurch der Abschnitt 4b des Trägers 4 verformt wird. Die daraus resultierende sich ändernde Zugspan nung im Trägerabschnitt 4b führt zu einer Widerstandsänderung im Sensorelement.
In der 4 ist der Träger 4c ein um die Längsachse 6 verdrehbarer, elastischer Stab der Länge L. Ungefähr bei L/2 befinden sich die zwei einander gegenüberliegende GMR-(oder TMR-)Sensorelemente 1c, 1d. Das an der Längsachse 6 angreifende zu messende Drehmoment bewirkt eine Tordierung des Stabes 4c, wodurch sich die Druck- bzw. Zugspannung im Material insbesondere an den Stellen, an denen sich die Sensorelemente befinden, verändert.
In der 5a befindet sich auf dem Substrat 10 ein einen Hohlraum abschließender Träger 4, auf dem zwei GMR-(oder TMR)Sensorelemente 1e, 1f angeordnet sind. Die GMR-Sensorelemente 1e, 1f sind mit den zwei Referenz-GMR-(oder TMR-)Sensorelementen 8a, 8b in der Art einer Brückenschaltung elektrisch verbunden.
In der 5b ist das Ersatzschaltbild der Brückenschaltung, das die Sensorelemente 1e, 1f mit den Referenz-Sensorelementen 8a, 8b verknüpft, dargestellt.

1a-lf: GMR- oder TMR-Sensorelement
2: Hohlraum
3: Hohlraum mit Referenzdruck
4: Träger
4a: fixierter Abschnitt
4b: verformbarer Abschnitt
4c: tordierbarer Abschnitt
5: seismische Masse
6: Längsachse eines tordierbaren Abschnittes
8a, b: Referenz GMR-Sensorelement
10: Substrat

Claims

Sensormodul zur Messung mechanischer Kräfte, umfassend: – einen durch die zu messende, mechanische Kraft mindestens in Abschnitten verformbaren and an einem Substrat (10) fixierten Träger (4), – mindestens ein mit dem Träger (4) gekoppeltes GMR- oder TMR-Sensorelement (1), das einen sich in Abhängigkeit einer Zug- oder Druckspannung im Träger (4) ändernden elektrischen Widerstand aufweist, und – eine mit dem GMR- bzw. TMR-Sensorelement (1) verbundene und einen sich durch das Einwirken der mechanischen Kraft auf den Träger (4) einstellenden elektrischen Widerstand erfassende Auswerteeinheit.
Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) mindestens in Abschnitten elastisch verformbar ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) mindestens einen fixierten Abschnitt (4a) und einen eine Beschleunigungskraft in eine, durch das Sensorelement (1) detektierbare Druck- oder Zugspannung, transformierenden beweglichen und/oder verformbaren Abschnitt (4b) aufweist.
Sensormodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verformbare Abschnitt (4b) zwischen fixierten Abschnitten (4a) angeordnet ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem verformbaren Abschnitt (4b) eine seismische Masse (5) angeordnet ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) einen zwischen fixierten Abschnitten (4a) und einen einen Referenzdruck aufweisenden Hohlraum (3) abschließenden verformbaren Abschnitt (4b) aufweist.
Sensormodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes GMR- oder TMR-Sensorelement (1b) in einem zentralen, in einem verformten Zustand des verformbaren Abschnitts (4b) eine maximale Druckspannung aufweisenden Bereich des verformbaren Abschnitts (4b) und mindestens ein weiteres GMR- oder TMR-Sensorelement (1a) in einem peripheren, in einem verformten Zustand des verformbaren Abschnitts (4b) eine maximale Zugspannung aufweisenden Bereich des verformbaren Abschnitts (4b) angeordnet sind.
Sensormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) einen durch ein zu messendes Drehmoment um eine Längsachse (6) tordierbaren Abschnitt (4c) einer Länge L aufweist und bei im Wesentlichen L/2 einander paarweise gegenüberliegende, eine Druck- und/oder Zugspannung aufnehmende GMR- TMR-Sensorelemente (1c, 1d) angeordnet sind.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul in einer Halbleitereinrichtung integriert ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf dem Träger (4) vorgesehene geradzahlige Anzahl von GMR- oder TMR-Sensorelementen (1e, 1f) und eine in oder auf dem Substrat (10) vorgesehene geradzahlige Anzahl von Referenz-GMR- bzw. TMR-Sensorelementen (8a, 8b) elektrisch in der Art einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul eine Mehrzahl von im Wesentlichen identischen GMR- oder TMR-Sensorelementen (1) aufweist und defekte GMR- oder TMR-Sensorelemente (1) von der Auswerteeinheit erkennbar und zur Auswertung abschaltbar sind.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul eine Mehrzahl von GMR- oder TMR-Sensorelementen (1) aufweist, die in bei Einwirken der mechanischen Kraft unterschiedliche Zug- oder Druckspannungen aufweisenden Bereichen des Trägers (4) angeordnet sind und durch die Auswerteeinheit in einem jeweils geeigneten Messbereich arbeitende GMR-Sensorelemente (1) ermittelbar sind.
Messanordnung zur Messung mechanischer Kräfte, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Sensormodulen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Auswerteeinheiten der Sensormodule mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind und durch die Auswerteeinrichtung defekte Sensormodule detektierbar und für eine Auswertung abschaltbar sind.
Messanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Sensormodulen unterschiedliche Messbereiche aufweisen und durch die Auswerteeinrichtung die jeweils in geeigneten Messbereichen arbeitenden Sensormodule detektierbar und auswählbar sind.