DE10350536B3 - Method for reducing effect of substrate potential on output signal of micromechanical sensor e.g. capacitive acceleration sensor, using application of opposite voltages to capacitor outer electrodes during compensation clock - Google Patents

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Abstract

The method has a positive voltage (U Q4)) and a negative voltage (-U Q4) applied to respective outer electrodes of a micromechanical sensor with 2 capacitors, during the measuring clock (Q4) of a clock sequence (Q1-Q4) having at least one compensation clock (Q2), during which the positive voltage and the negative voltage are applied to the opposite outer electrodes.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Verringerung des Einflusses des Substratpotentials auf das Ausgangssignal eines mikromechanischen Sensors, insbesondere eines kapazitiven Beschleunigungssensors, nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to methods for reducing the influence of Substrate potential on the output signal of a micromechanical Sensor, in particular a capacitive acceleration sensor, according to the preambles of the independent claims.

Ein mikromechanisches Sensorelement beruht auf einer mechanischen Deformation bzw. Auslenkung eines Teils seiner Struktur, die in ein elektrisches Signal überführt wird. Bei einem kapazitiven Beschleunigungssensor beispielsweise dient eine bewegliche Struktur als Kondensatorelektrode einer Kapazität, deren Änderung ein Maß für die Beschleunigung ist.One Micromechanical sensor element is based on a mechanical deformation or deflection of a part of its structure, which in an electric Signal is transferred. For example, in a capacitive acceleration sensor a movable structure as a capacitor electrode of a capacitance whose change a measure of the acceleration is.

Aus der DE 100 49 462 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein mikromechanisches Bauelement zur Detektion von dynamischen Größen wie beispielsweise einer Beschleunigung bekannt, wobei eine erste und eine zweite über einem Substrat fest angebrachte Kondensatorelektrode und eine dritte dazwischen angeordnete, federnd auslenkbar angebrachte Kondensatorelektrode vorgesehen sind. Aufgrund dieser Anordnung bildet die mittlere, auslenkbar angebrachte Elektrode zusammen mit den beiden fest angebrachten Außenelektroden jeweils eine erste und eine zweite Teilkapazität. Das Sensorsignal wird nach einem differenzkapazitiven Messprinzip erfasst. Dabei ruft eine äußere Krafteinwirkung eine relative Lageänderung der beweglichen Kondensatorelektrode hervor, wodurch die eine Teilkapazität zu- und gleichzeitig die andere abnimmt. Für die Bildung des Sensorausgangssignals wird die Differenz der Teilkapazitäten bestimmt.From the DE 100 49 462 A1 there is known a method and a device for a micromechanical component for detecting dynamic variables such as acceleration, wherein a first and a second capacitor electrode fixedly mounted over a substrate and a third capacitor electrode arranged therebetween and provided in a spring-deflectable manner are provided. Due to this arrangement, the middle, deflectable electrode forms together with the two fixed outer electrodes each have a first and a second partial capacitance. The sensor signal is detected according to a differential capacitive measuring principle. In this case, an external force causes a relative change in position of the movable capacitor electrode, whereby one partial capacity increases while the other decreases. For the formation of the sensor output signal, the difference of the partial capacitances is determined.

Typischerweise werden die zur Erfassung der Differenzkapazität benötigten elektrischen Potentiale getaktet an die Elektroden angelegt. In einem ersten Takt werden alle Elektroden mit einem gleichen Potential beaufschlagt, und in einem zweiten Takt, dem eigentlichen Messtakt, das Potential der einen Außenelektrode vergrößert und das Potential der anderen Außenelektrode verkleinert. Die dadurch an der beweglichen Mittelelektrode verursachte Ladungsänderung wird als Maß für die Kapazitätsdifferenz ausgewertet.typically, become the electrical potentials required to detect the differential capacitance clocked applied to the electrodes. Be in a first beat all electrodes are applied with the same potential, and in a second clock, the actual measuring cycle, the potential of an outer electrode enlarged and the potential of the other outer electrode reduced. The caused thereby at the movable center electrode charge change is used as a measure of the capacity difference evaluated.

Das Ausgangssignal kann jedoch verfälscht werden durch eine Änderung des Substratpotentials: Spontane, unkontrollierbare Ladungsänderungen auf dem Substrat führen zu einer relativen Verschiebung des elektrischen Potentials der Substratoberfläche bezüglich der Potentiale der über dem Substrat angebrachten Elektroden. Dies bewirkt dann zusammen mit den unterschiedlichen Potentialen auf den Elektroden während des Messtaktes im zeitlichen Mittel eine elektrostatische Kraft auf die bewegliche Elektrode. Folglich wird die Elektrode ausgelenkt und schließlich das Ausgangssignal dadurch verändert.The However, the output signal can be corrupted by a change of substrate potential: Spontaneous, uncontrollable charge changes lead on the substrate to a relative shift of the electric potential of Substrate surface with respect to Potentials of over electrodes attached to the substrate. This then works together with the different potentials on the electrodes during the Measuring clock on an average of an electrostatic force the movable electrode. As a result, the electrode is deflected and finally thereby changing the output signal.

Darüber hinaus ist es aus dem Stand der Technik bekannt, durch Variieren des an das Substrat angelegten Potentials einen elektrischen Nullpunktabgleich durchzuführen.Furthermore It is known from the prior art, by varying the the substrate applied potential an electrical zero balance perform.

Weiter wird in DE 197 50 350 C1 ein mikromechanischer Beschleunigungssensor beschrieben, bei dem ebenfalls eine bewegliche Kondensatorelektrode zwischen einer ersten und einer zweiten feststehenden Elektrode angeordnet ist und, wie oben bereits erläutert, durch eine Auslenkung der beweglichen Elektrode eine dynamische Größe wie die Beschleunigung nach dem differenzkapazitiven Messprinzip bestimmt wird. Die bewegliche Elektrode wird dabei realisiert durch eine Fingerstruktur an einer beweglichen seismischen Prüfmasse. Aus der Prüfmasse ragen weitere Fingerstrukturen heraus, die jeweils gegenüberliegenden Fingerplatten feststehender Elektroden zugeordnet sind. Die beweglichen Fingerstrukturen bilden zusammen eine bewegliche Kammstruktur. Da die festen Fingerplatten, die jeweils zur ersten bzw. zur zweiten feststehenden Elektroden gehören, miteinander elektrisch verbunden sind, bilden sie zusammen eine erste und eine zweite feste Kammstruktur. Die Kammstrukturen sind so angeordnet, dass ihre Elektroden zumindest teilweise ineinandergreifen und eine Auslenkung der beweglichen Elektroden senkrecht zu den Seitenflächen der Fingerplatten der feststehenden Elektroden erfolgt. In dieser Schrift werden geeignete Messverfahren, die eine störungsfreie Bestimmung der Differenzkapazität ermöglichen, nicht behandelt.Next will be in DE 197 50 350 C1 a micromechanical acceleration sensor is described in which also a movable capacitor electrode between a first and a second fixed electrode is arranged and, as already explained above, by a deflection of the movable electrode, a dynamic variable as the acceleration is determined by the differential capacitive measuring principle. The movable electrode is realized by a finger structure on a movable seismic test mass. From the test mass protrude further finger structures, which are respectively associated with opposite finger plates fixed electrodes. The movable finger structures together form a movable comb structure. Since the fixed finger plates respectively belonging to the first and second fixed electrodes are electrically connected to each other, they together form a first and a second fixed comb structure. The comb structures are arranged so that their electrodes at least partially engage and a deflection of the movable electrodes is perpendicular to the side surfaces of the finger plates of the fixed electrodes. In this document, suitable measuring methods that allow a trouble-free determination of the differential capacity, not treated.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die beiden erfindungsgemäßen Verfahren zur Verringerung des Einflusses des Substratpotentials auf das Ausgangssignal eines mikromechanischen Sensors, insbesondere eines kapazitiven Beschleunigungssensors, mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche ermöglichen es auf eine einfache Weise ein vom Substratpotential weitgehend unabhängiges Sensorausgangssignal zu erzielen. Schwer kontrollierbare Ladungsverteilungen im Substrat haben somit keine Auswirkung auf das Sensorausgangssignal. Insbesondere werden Drifterscheinungen, die aus unkontrollierbaren Veränderungen der elektrischen Ladungsmenge über der Zeit resultieren, deutlich reduziert. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.The two methods of the invention for Reduction of the influence of the substrate potential on the output signal of a micromechanical sensor, in particular a capacitive acceleration sensor, with the characterizing features of the independent claims in a simple way, it largely depends on the substrate potential independent To achieve sensor output signal. Hard to control charge distributions in the substrate thus have no effect on the sensor output signal. In particular, drifting phenomena resulting from uncontrollable changes the amount of electrical charge time, significantly reduced. Advantageous developments the inventive method are in the subclaims specified.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindungen werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:embodiments The inventions will become apparent from the drawings and the description below explained in more detail. It demonstrate:

1 einen Querschnitt eines Beschleunigungssensors in schematischer Darstellung, 1 a cross section of an acceleration sensor in a schematic representation,

2 ein Taktschema zur Erfassung der Position der beweglichen Sensorstruktur mit dem erfindungsgemäßen Kompensationstakt Q2, 2 a timing diagram for detecting the position of the movable sensor structure with the compensation clock Q2 according to the invention,

3 ein Taktschema im Testmodus mit dem erfindungsgemäßen Kompensationstakt Q7 und 3 a timing scheme in the test mode with the inventive compensation clock Q7 and

4 eine Draufsicht eines Beschleunigungssensors mit Elektroden in Kammstruktur-Form. 4 a plan view of an acceleration sensor with electrodes in comb-shape.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In 1 ist ein Querschnitt eines mit der Technologie der Oberflächenmikromechanik hergestellten Beschleunigungssensors schematisch dargestellt.In 1 is a cross-section of an acceleration sensor produced by the technology of surface micromechanics shown schematically.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt, sind über einem Substrat Sub zwei feststehende Außenelektroden S1,S2 und eine zwischen ihnen positionierte, bewegliche Mittelelektrode B nebeneinander angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung bildet die Mittelelektrode B zusammen mit den Außenelektroden S1,S2 jeweils eine erste Teilkapazität C1 bzw. eine zweite Teilkapazität C2. Wie aus der Pfeilrichtung erkennbar, erfolgt die Auslenkung und damit die Detektionsrichtung D der beweglichen Mittelelektrode B senkrecht zu den Seitenflächen der Außenelektroden S1,S2. Bei einer Auslenkung der Mittelelektrode B nimmt die eine Teilkapazität C1 bzw. C2 zu, gleichzeitig die andere C2 bzw. C1 ab. Bei einem diffenzkapazitiven Messprinzip wird die Differenz der beiden Teilkapazitäten C1, C2 bestimmt und zur Signalbildung herangezogen. Zur Bildung der Differenzkapazität sind die Elektroden elektrisch mit einer nicht dargestellten Differenzkapazität-Erfassungseinrichtung verbunden.As known in the art, are sub two over a substrate fixed external electrodes S1, S2 and a movable center electrode positioned between them B arranged side by side. Due to this arrangement forms the Center electrode B together with the outer electrodes S1, S2 respectively a first partial capacity C1 or a second partial capacity C2. As can be seen from the direction of the arrow, the deflection takes place and thus the detection direction D of the movable center electrode B perpendicular to the side surfaces the outer electrodes S1, S2. In a deflection of the center electrode B takes the one partial capacity C1 or C2 to, while the other C2 or C1 from. At a diffenzkapazitiven measuring principle is the difference of the two partial capacitances C1, C2 determined and used for signal formation. To form the differential capacitance the electrodes are electrically connected to a differential capacitance detection device (not shown) connected.

Um die Teilkapazitäten C1,C2 auslesen zu können, werden an die entsprechenden Elektroden S1,S2,B getaktete Potentiale US1, US2, UB angelegt. Am Substrat Sub liegt das Potential USub vor.In order to be able to read out the partial capacitances C1, C2, clocked potentials U S1 , U S2 , U B are applied to the corresponding electrodes S1, S2, B. At the substrate Sub, the potential U Sub is present.

Problematisch für ein zuverlässiges Sensorsignal ist das Auftreten von unkontrollierbaren Schwankungen elektrischer Ladungsmengen auf den Elektroden S1,S2,B, insbesondere auf dem Substrat Sub, welches eine Veränderung der relativen Lage des elektrischen Potentials der Substratoberfläche bezogen auf die Lage des elektrischen Potentials der anderen Elektroden verursacht. Sind zusätzlich auf den Elektroden S1,S2,B unterschiedliche Potentiale angelegt, wie beispielsweise während eines Messtaktes, wirkt dann eine elektrostatische Kraft in Detektionsrichtung D, wodurch die bewegliche Mittelelektrode B ausgelenkt und somit das Ausgangsignal verfälscht wird.Problematic for a reliable Sensor signal is the occurrence of uncontrollable fluctuations electric charge amounts on the electrodes S1, S2, B, in particular on the substrate Sub, which is a change in the relative position the electrical potential of the substrate surface based on the position of caused electrical potential of the other electrodes. are in addition to the electrodes S1, S2, B applied different potentials, such as for example during a measuring cycle, then acts an electrostatic force in the detection direction D, whereby the movable center electrode B deflected and thus the output signal is corrupted becomes.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mithilfe eines in der 2 dargestellten Taktschemas Q1,Q2,Q3,Q4 erläutert.The inventive method is using a in the 2 illustrated clock schemes Q1, Q2, Q3, Q4 explained.

Aus dem Taktschema Q1,Q2,Q3,Q4 ist der zeitliche Verlauf der an die Elektroden S1, S2, B angelegten Spannungen US1, US2, UB zu entnehmen. Die gestrichelten Linien stellen ein Referenzpotential dar. Zur Bestimmung der Position der beweglichen Mittelelektrode B wird in einem Messtakt Q4 jeweils sprunghaft eine Spannung UQ4 und –UQ4 an die Außenelektrode S1 bzw. S2 angelegt, d.h. das Potential der ersten Außenelektrode S1 nimmt zu, das der zweiten Außenelektrode S2 nimmt ab. Erfindungsgemäß weist das Taktschema Q1,Q2,Q3,Q4 einen Kompensationstakt Q2 auf, wobei nun eine negative Spannung –U auf die erste Außenelektrode S1,S2 und eine positive Spannung U auf die zweite Außenelektrode S2,S1 beaufschlagt wird. Dadurch wird eine Änderung des Substratpotentials während des Zusatztaktes Q2 eine horizontale Kraftänderung auf die Mittelelektrode B bewirken, die der Kraftänderung während des Messtaktes Q4 entgegengesetzt gerichtet ist. Im zeitlichen Mittel wird eine Reduzierung des Einflusses des Substratpotentials auf die horizontale elektrostatische Kraft erreicht.The time profile of the voltages U S1 , U S2 , U B applied to the electrodes S1, S2, B can be seen from the timing diagram Q1, Q2, Q3, Q4. The dashed lines represent a reference potential. In order to determine the position of the movable center electrode B, a voltage U Q4 and -U Q4 is applied to the outer electrode S1 or S2 abruptly in a measuring clock Q4, ie the potential of the first outer electrode S1 increases, that of the second outer electrode S2 decreases. According to the invention, the timing diagram Q1, Q2, Q3, Q4 has a compensation clock Q2, a negative voltage -U being applied to the first outer electrode S1, S2 and a positive voltage U to the second outer electrode S2, S1. As a result, a change in the substrate potential during the additional clock Q2 will cause a horizontal force change on the center electrode B, which is opposite to the change in force during the measuring clock Q4. On average, a reduction of the influence of the substrate potential on the horizontal electrostatic force is achieved.

Die Einführung eines Kompensationstaktes kann in ein bestehendes Taktschema ohne eine Erhöhung der Zahl der Takte des Taktschemas erfolgen. Bei Bedarf kann aber die Einführung eines Kompensationstaktes aufgrund einer zusätzlichen Takt-Erweiterung die Taktzahl erhöhen.The introduction A compensation clock can be used in an existing clock scheme without an increase the number of bars of the clock scheme done. If necessary, but can the introduction a compensation clock due to an additional clock extension the Increase number of cycles.

Besonders vorteilhaft wirkt das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Potentiale US1,US2 auf den beiden Außenelektroden S1,S2 während des Kompensationstaktes Q2 gegenüber dem Messtakt Q4 jeweils invertiert, d.h. entgegengesetzt gleich groß, sind. Die horizontale Kraftänderung aufgrund einer Änderung des Substratpotentials während des Zusatztaktes Q2 ist dann betragsmäßig annähernd identisch gegenüber einer Kraftänderung während des Messtaktes Q4.The method according to the invention is particularly advantageous when the potentials U S1 , U S2 on the two external electrodes S1, S2 are respectively inverted relative to the measuring clock Q4 during the compensation cycle Q2, ie are of opposite magnitude. The horizontal force change due to a change in the substrate potential during the additional clock Q2 is then approximately identical in magnitude to a change in force during the measuring cycle Q4.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Potential UB auf der beweglichen Mittelelektrode B während des Kompensationstaktes Q2 entgegengesetzt gleich groß gegenüber dem Messtakt Q4 ist. So ist der Betrag der elektrischen Spannung zwischen den feststehenden Außenelektroden S1,S2 und der beweglichen Mittelelektrode B im Messtakt Q4 und im Kompensationstakt Q2 gleich groß.Further advantages arise when the potential U B on the movable center electrode B during the compensation cycle Q2 is the same opposite to the measuring cycle Q4. Thus, the amount of electrical voltage between the fixed outer electrodes S1, S2 and the be movable center electrode B in the measuring clock Q4 and the compensation clock Q2 equal.

Durch die Einführung des Kompensationstaktes Q2 sind die Takte Q1, Q3, in denen die Potentiale US1, US2, UB auf allen Elektroden S1,S2,B gleich groß sind, zur Erfassung der Position der beweglichen Mittelelektrode B nicht mehr zwingend notwendig. Solche Takte Q1,Q3 können jedoch bei Bedarf weiterhin in ein Taktschema eingeführt und ihre Anzahl beliebig vergrößert werden.Due to the introduction of the compensation clock Q2, the clocks Q1, Q3, in which the potentials U S1 , U S2 , U B are the same on all electrodes S1, S2, B, are no longer absolutely necessary for detecting the position of the movable center electrode B. However, such clocks Q1, Q3 can still be introduced into a clocking scheme as needed and their number can be arbitrarily increased.

In einer besonderen Ausführungsform ist es vorgesehen, den Kompensationstakt Q2 als einen zusätzlichen Messtakt wie in Q4 bzw. umgekehrt heranzuziehen. So wird beispielsweise ermöglicht, redundant die Position der beweglichen Mittelelektrode B über ein gegenüber dem ersten Messtakt Q4 invertiertes Signal auszuwerten. Während des Taktes Q4 wird ein gewisser Spannungshub an der beweglichen Mittelelektrode B als Messsignal ermittelt, während des Taktes Q2 wird ein betragsmäßig annähernd identischer Spannungshub von entgegengesetzten Vorzeichen ermittelt. Durch Differenzbildung beider Spannungshübe, die betragsmäßig annähernd identisch, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen behaftet sind, werden neben dem primären Effekt der Unterdrückung ladungsbedingter Driften auch systematische Fehler oder Asymmetrien der Auswerteschaltung eliminiert und das Primärsignal betragsmäßig annähernd verdoppelt. Für diese Ausführungsform ist es lediglich notwenig, die Spannungshübe während der Takte Q2 und Q4 jeweils getrennt zu speichern, beispielsweise in zwei getrennten und jeweils Q2 und Q4 zugeordneten Kapazitäten, und anschließend einer Differenzbildung in einem Differenzverstärker oder Instrumentationsverstärker zuzuführen.In a particular embodiment it is provided, the compensation clock Q2 as an additional Measuring rate as in Q4 or vice versa. For example allows redundant the position of the movable center electrode B via a across from to evaluate the first measuring clock Q4 inverted signal. During the Clock Q4 will be a certain voltage swing at the moving center electrode B determined as a measurement signal during the Clock Q2 is an amount approximately identical Voltage swing of opposite signs determined. By subtraction both voltage strokes, the amount approximately identical, however, are associated with opposite signs, in addition to the primary Effect of oppression Charge-related drifts also systematic errors or asymmetries the evaluation circuit is eliminated and the primary signal approximately doubled in terms of amount. For this embodiment it is only necessary, the voltage strokes during the clocks Q2 and Q4 respectively store separately, for example, in two separate and respectively Q2 and Q4 allocated capacities, and subsequently to supply a difference in a differential amplifier or instrumentation amplifier.

Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren, dessen Taktschema Q1 bis Q7 beispielhaft in 3 dargestellt ist, ermöglicht den Einfluss des Substratpotentials auf das Ausgangssignal eines mikromechanischen Sensors während eines Testmodus zu verringern. Neben den in 2 bereits beschriebenen Takten Q1 bis Q4 ist das Taktschema um die Takte Q6 und Q7 erweitert. Im Testmodus wird das Taktschema derart ausgestaltet, dass die bewegliche Mittelelektrode B aufgrund einer horizontalen elektrostatischen Kraft aus der Ruhelage ausgelenkt wird. Wird dann die Auslenkung für diese Testmessung bestimmt, kann die Beweglichkeit der auslenkbaren Struktur beurteilt werden.A second method according to the invention, whose timing scheme Q1 to Q7 exemplifies in 3 allows to reduce the influence of the substrate potential on the output signal of a micromechanical sensor during a test mode. In addition to the in 2 already described clocks Q1 to Q4, the clock scheme is extended by the clocks Q6 and Q7. In the test mode, the clock scheme is designed such that the movable center electrode B is deflected from the rest position due to a horizontal electrostatic force. If the deflection is then determined for this test measurement, the mobility of the deflectable structure can be assessed.

Der Testmodus wird dadurch realisiert, dass während eines Testtaktes Q6 eine Testspannung UT auf eines der beiden Außenelektroden S1,S2 angelegt wird, wodurch sich das elektrische Potential der betreffenden Elektrode gegenüber dem elektrischen Potential der anderen beiden Elektroden verändert und somit eine elektrostatische Kraft auf die bewegliche Mittelelektrode B ausgeübt wird.The test mode is realized in that during a test clock Q6, a test voltage U T is applied to one of the two outer electrodes S1, S2, whereby the electrical potential of the respective electrode changes with respect to the electrical potential of the other two electrodes and thus an electrostatic force on the movable center electrode B is applied.

Wie während des Messtaktes Q4 sind auch beim Testtakt Q6 die Potentiale auf den Elektroden S1,S2 verschieden, d.h. auch im Testmodus wird eine unkontrollierte Änderung des Substratpotentials zu einer Änderung der elektrostatischen Kraft führen.As while of the measuring clock Q4, the potentials are also at the test clock Q6 different from the electrodes S1, S2, i. also in the test mode becomes a uncontrolled change the substrate potential to a change lead the electrostatic force.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Taktschema Q1 bis Q7 einen entsprechenden Kompensationstakt Q7 aufweist, wobei die mit der Testspannung UT beaufschlagte Elektrode S1 während des Kompensationstaktes Q7 mit der negativen Testspannung –UT beaufschlagt wird. Dadurch bewirkt eine Änderung des Substratpotentials während des Kompensationstaktes Q7 eine horizontale Kraftänderung, die der Kraftänderung während des Testtaktes Q6 entgegengesetzt ist. Dementsprechend bewirkt die Einführung des Kompensationstaktes Q7 in das Taktschema Q1 bis Q7 im zeitlichen Mittel eine Reduzierung der horizontalen Kraftänderung bei geändertem Substratpotential.According to the invention, it is proposed that the timing diagram Q1 to Q7 have a corresponding compensation clock pulse Q7, wherein the test voltage UT applied to the electrode S1 during the compensation clock Q7 with the negative test voltage -U T is applied. This causes a change in the substrate potential during the compensation clock Q7 a horizontal force change, which is opposite to the force change during the test clock Q6. Accordingly, the introduction of the compensation clock Q7 in the timing scheme Q1 to Q7 causes on average over time, a reduction in the horizontal force change with a changed substrate potential.

Auch im Testmodus können weitere Takte Q5, in denen die Potentiale US1, US2, UB auf allen Elektroden S1, S2, B gleich groß sind, eingeführt werden.Also in the test mode, additional clocks Q5, in which the potentials U S1 , U S2 , U B on all electrodes S1, S2, B are equal, can be introduced.

4 zeigt eine Draufsicht eines beispielhaften Beschleunigungssensors, bei dem die Elektroden S1,S2,B als einzelne Fingerelektroden Teil einer jeweiligen Kammstruktur sind. Die bewegliche Mittelelektrode B ist zusammen mit weiteren Mittelelektroden an einer seismischen Masse M angebracht und bildet mit ihnen die bewegliche Kammstruktur bKS, die über mechanische Federelemente und eine Isolationsschicht mit dem Substrat Sub verbunden ist. Alle Mittelelektroden sind elektrisch miteinander kontaktiert. Die bewegliche Kammstruktur bKS ist in Detektionsrichtung D auslenkbar. 4 FIG. 12 shows a top view of an exemplary acceleration sensor in which the electrodes S1, S2, B as individual finger electrodes are part of a respective comb structure. The movable center electrode B is mounted together with other center electrodes on a seismic mass M and forms with them the movable comb structure BKS, which is connected via mechanical spring elements and an insulating layer to the substrate Sub. All center electrodes are electrically contacted with each other. The movable comb structure bKS can be deflected in the detection direction D.

Die Mittelelektroden B sind jeweils von zwei feststehenden Außenelektroden S1,S2 umgeben. Alle Außenelektroden S1, die zur ersten Kapazität C1 gehören, sind elektrisch miteinander verbunden und bilden eine feststehende Kammstruktur KS1, entsprechendes gilt für die zur zweiten Kapazität C2 gehörenden Außenelektroden S2. Aus der 4 geht hervor, dass die Elektroden der beiden festen Kammstrukturen KS1,KS2 und die Elektroden der beweglichen Kammstruktur bKS zumindest teilweise ineinandergreifen und derart angeordnet sind, dass eine Auslenkung der Elektroden der beweglichen Kammstruktur bKS senkrecht zu den Seitenflächen der Elektroden der festen Kammstrukturen KS1,KS2 erfolgt.The center electrodes B are each surrounded by two fixed outer electrodes S1, S2. All outer electrodes S1, which belong to the first capacitor C1, are electrically connected to one another and form a fixed comb structure KS1, the same applies to the outer electrodes S2 belonging to the second capacitance C2. From the 4 shows that the electrodes of the two fixed comb structures KS1, KS2 and the electrodes of the movable comb structure bKS at least partially mesh and are arranged such that a deflection of the electrodes of the movable comb structure bKS is perpendicular to the side surfaces of the electrodes of the solid comb structures KS1, KS2 ,

Claims (9)

Verfahren zur Verringerung des Einflusses des Substratpotentials auf das Ausgangssignal eines mikromechanischen Sensors, insbesondere eines Beschleunigungssensors, mit einer über einem Substrat (Sub) angeordneten ersten Kapazität (C1) und einer zweiten Kapazität (C2), wobei die beiden Kapazitäten (C1,C2) eine gemeinsame, beweglich gelagerte Mittelelektrode (B) aufweisen, wobei zur Erfassung einer dynamischen Größe wie beispielsweise einer Beschleunigung aufgrund einer Krafteinwirkung auf die Mittelelektrode (B) nach einem differenzkapazitiven Messprinzip getaktete Potentiale auf Elektroden (S1,S2,B) der Kapazitäten (C1,C2) derart angelegt werden, dass in ein mindestens einen Messtakt (Q4) aufweisendes Taktschema (Q1 bis Q4) während des Messtaktes (Q4) eine positive Spannung (U) auf die erste Außenelektrode (S1,S2) und eine negative Spannung (–U) auf die zweite Außenelektrode (S2,S1) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Taktschema (Q1 bis Q4) mindestens einen Kompensationstakt (Q2) aufweist, wobei während des mindestens einen Kompensationstaktes (Q2) eine negative Spannung (–U) auf die erste Außenelektrode (S1,S2) und eine positive Spannung (U) auf die zweite Außenelektrode (S2,S1) beaufschlagt wird.Method for reducing the influence of the substrate potential on the output signal of a micromechanical sensor, in particular an acceleration sensor, with a first capacitor (C1) and a second capacitor (C2) arranged above a substrate (Sub), wherein the two capacitors (C1, C2) have a common, movably mounted center electrode (B), wherein for detecting a dynamic quantity such as an acceleration due to a force on the center electrode (B) clocked by a differential capacitive measuring principle clocked potentials on electrodes (S1, S2, B) of the capacitances (C1, C2 ) are applied in such a way that in a clock scheme (Q1 to Q4) having at least one measuring clock (Q4) during the measuring clock (Q4) a positive voltage (U) is applied to the first outer electrode (S1, S2) and a negative voltage (-U) to the second outer electrode (S2, S1) is acted upon, characterized in that the clock scheme (Q1 to Q4) at least one Compensation clock (Q2), wherein during the at least one compensation clock (Q2) a negative voltage (-U) to the first outer electrode (S1, S2) and a positive voltage (U) to the second outer electrode (S2, S1) is applied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentiale auf den beiden Außenelektroden (S1,S2) während des mindestens einen Kompensationstaktes (Q2) gegenüber dem Messtakt (Q4) vertauscht sind.Method according to claim 1, characterized in that that the potentials on the two outer electrodes (S1, S2) during the at least one compensation clock (Q2) with respect to the measuring clock (Q4) reversed are. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential auf der beweglichen Mittelelektrode (B) während des mindestens einen Kompensationstaktes (Q2) gegenüber dem Messtakt (Q4) entgegengesetzt gleich groß ist.Method according to claim 1 or 2, characterized that the potential on the movable center electrode (B) during the at least one compensation cycle (Q2) opposite to the measuring cycle (Q4) is the same size. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentiale während des wenigstens einen Mess- (Q4) und Kompensationstaktes (Q2) jeweils getrennt gespeichert und anschließend einer Differenzbildung in einem Differenz- oder Instrumentationsverstärker zugeführt werden, um den wenigstens einen Kompensationstakt (Q2) als zusätzlichen Messtakt bzw. umgekehrt heranzuziehen.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the potentials during the at least one measurement (Q4) and compensation clock (Q2) respectively stored separately and then a difference be supplied in a differential or instrumentation amplifier to the at least a compensation clock (Q2) as an additional measuring cycle or vice versa consulted. Verfahren zur Verringerung des Einflusses des Substratpotentials auf das Ausgangssignal eines mikromechanischen Sensors, insbesondere eines Beschleunigungssensors, mit einer über einem Substrat (Sub) angeordneten ersten Kapazität (C1) und einer zweiten Kapazität (C2), wobei die beiden Kapazitäten (C1,C2) eine gemeinsame, beweglich gelagerte Mittelelektrode (B) aufweisen, und wobei in ein mindestens einen Testtakt (Q6) aufweisendes Taktschema (Q1 bis Q7) während des Testtaktes (Q6) zur Auslenkung der beweglichen Mittelelektrode (B) eine Außenelektrode (S1) gegenüber den anderen Elektroden (S2,B) mit einer Testspannung (UT) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Taktschema (Q1 bis Q7) mindestens einen Kompensationstakt (Q7) aufweist, wobei während des mindestens einen Kompensationstaktes (Q7) die mit der Testspannung (UT) beaufschlagte Elektrode (S1) mit der negativen Testspannung (–UT) beaufschlagt wird.Method for reducing the influence of the substrate potential on the output signal of a micromechanical sensor, in particular an acceleration sensor, with a first capacitor (C1) and a second capacitor (C2) arranged above a substrate (Sub), wherein the two capacitors (C1, C2) have a common, movably mounted center electrode (B), and wherein in a at least one test clock (Q6) having clocking scheme (Q1 to Q7) during the test clock (Q6) for deflecting the movable center electrode (B) has an outer electrode (S1) with respect to the other electrodes (S2, B) is subjected to a test voltage (U T ), characterized in that the clock scheme (Q1 to Q7) at least one compensation clock (Q7), wherein during the at least one compensation clock (Q7) with the test voltage (U T ) applied to the electrode (S1) with the negative test voltage (-U T ) is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Takte (Q1,Q3;Q5), in denen die Potentiale auf allen Elektroden (S1,S2,B) gleich groß sind, in das jeweilige Taktschema (Q1 bis Q4;Q1 bis Q7) eingeführt werden.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that extra Clocks (Q1, Q3, Q5) in which the potentials on all electrodes (S1, S2, B) are the same size, in the respective clock scheme (Q1 to Q4, Q1 to Q7) are introduced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Mittenelektrode (B) zusammen mit weiteren mit der Mittelelektrode (B) elektrisch verbundenen Fingerelektroden an einer seismischen Masse (M) angebracht ist und eine bewegliche Kammstruktur (bKS) bildet.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the movable center electrode (B) together with others with the center electrode (B) electrically connected finger electrodes attached to a seismic mass (M) and a movable Comb structure (UCS) forms. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur ersten bzw. zweiten Kapazität (C1,C2) gehörende Außenelektrode (S1,S2) elektrisch mit weiteren zu einer weiteren ersten bzw. zweiten Kapazität (C1,C2) gehörenden Außenelektroden (S1,S2) verbunden ist und zusammen jeweils eine feste Kammstruktur (KS1,KS2) neben der beweglichen Kammstruktur (bKS) bildet.Method according to claim 7, characterized in that in that the outer electrode belonging to the first or second capacitance (C1, C2) (S1, S2) electrically with further to another first and second, respectively capacity (C1, C2) external electrodes (S1, S2) and together each have a fixed comb structure (KS1, KS2) next to the movable comb structure (BKS) forms. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (S1,S2) der beiden festen Kammstrukturen (KS1,KS2) und die Elektroden (B) der beweglichen Kammstruktur (bKS) zumindest teilweise ineinandergreifen und derart angeordnet sind, dass eine Auslenkung der Elektroden (B) der beweglichen Kammstruktur (bKS) senkrecht zu den Seitenflächen der Elektroden (S1,S2) der festen Kammstrukturen (KS1,KS2) erfolgt.Method according to claim 8, characterized in that the electrodes (S1, S2) of the two fixed comb structures (KS1, KS2) and the electrodes (B) of the movable comb structure (BKS) at least partially interlock and are arranged such that a deflection the electrodes (B) of the movable comb structure (BKS) perpendicular to the side surfaces the electrodes (S1, S2) of the solid comb structures (KS1, KS2) takes place.
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