DE112012003562T5

DE112012003562T5 - Verbesserte Detektionsstruktur für einen z-Achsen-Resonanzbeschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE112012003562T5
Application number: DE112012003562.3T
Authority: DE
Inventors: Claudia Comi; Alberto Corigliano; Sarah Zerbini
Original assignee: STMicroelectronics SRL; Politecnico di Milano
Current assignee: STMicroelectronics SRL; Politecnico di Milano
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-09-01
Also published as: WO2013030798A1; CN103827673A; US9377482B2; WO2013030798A8; US20140174183A1; ITTO20110782A1; CN103827673B; DE112012003562B4

Abstract

Eine Detektionsstruktur (1) für einen z-Achsen-Resonanzbeschleunigungsmesser (24) hat eine träge Masse (2), die mittels elastischer Verankerungselemente (6) so an einem Substrat (20) angebracht ist, dass sie über dem Substrat (20) in der Schwebe gehalten wird, wobei die elastischen Elemente (6) so eingerichtet sind, dass sie es der trägen Masse (2) ermöglichen, in Reaktion auf eine äußere Beschleunigung (az), die entlang einer Vertikalachse (z) quer zu einer Ebene (xy) wirkt, eine Trägheitsrotationsbewegung um eine erste Rotationsachse (A) parallel zu einer Horizontalachse (y), die zur Ebene (xy) der Haupterstreckung der trägen Masse (2) gehört, auszuführen; und ein erstes Resonatorelement (10a) und eine zweites Resonatorelement (10b), die durch jeweilige elastische Abstützelemente (16) mechanisch mit der trägen Masse (10) gekoppelt sind, wobei die elastischen Abstützelemente (16) eingerichtet sind, eine Rotationsbewegung des ersten Resonatorelements (10a) um eine zweite Rotationsachse (B) und des zweiten Resonatorelements (10b) um eine dritte Rotationsachse (C) zu ermöglichen. Die zweite Rotationsachse (B) und die dritte Rotationsachse (C) sind insbesondere parallel zueinander und darüber hinaus parallel zur ersten Rotationsachse (A) der trägen Masse (2) ausgerichtet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Detektionsstruktur für einen Resonanzbeschleunigungsmesser mit einer vertikalen Achse (einer sogenannten „z-Achse”) vom Typ eines MEMS (mikroelektromechanischen Systems) oder NEMS (nanoelektromechanische Systems), insbesondere eine Struktur, die in der Lage ist, eine Komponente einer Vertikalbeschleunigung, die in einer Richtung quer zu oder außerhalb einer Ebene einer Haupterstreckung der Struktur wirkt, mit hoher elektrischer Leistungsfähigkeit zu erkennen.
Stand der Technik
Wie es bekannt ist, sind Beschleunigungsmesser vom MEMS (oder NEMS)-Typ aufgrund ihrer extrem kompakten Abmessungen, niedriger Verbrauchsniveaus und einer guten elektrischen Leistungsfähigkeit für einen weiten Bereich von Anwendungsgebieten vorgeschlagen und benutzt worden, z. B. für Trägheitsnavigationsanwendungen.
Die verschiedenen Beschleunigungsmesser, die in der Literatur vorgeschlagen und derzeit auf dem Markt präsent sind, können basierend auf dem Detektionsprinzip, das von der zugehörigen Detektionsstrukur benutzt wird, im Wesentlichen in drei Klassen eingeteilt werden: kapazitive Beschleunigungsmesser, Piezo-Widerstandsbeschleunigungsmesser und Resonanzbeschleunigungsmesser.
In Resonanzbeschleunigungsmessern bewirkt die zu messende äußere Beschleunigung eine erkennbare Verschiebung der Resonanzfrequenz eines oder mehrere Resonatorelemente der mechanischen Detektionsstruktur; das Resonatorelement kann durch die gesamte träge Masse (freie Masse oder Nachweismasse) der Detektionsstruktur oder einen Teil davon bereitgestellt werden.
Resonanzdetektion hat im Vergleich zu anderen Messprinzipien den Vorteil, dass sie ein direktes Frequenzausgangssignal vom quasi digitalen Typ mit hoher Genauigkeit und einem weiten Dynamikbereich zur Verfügung stellt.
Entsprechend dem Aufbau der Detektionsstruktur kann die Variation der Resonanzfrequenz durch das Vorhandensein von Axialspannungen im Resonatorelement oder durch die Variation der sogenannten „elektrischen Steifigkeit”, der das gleiche Resonatorelement ausgesetzt ist, induziert werden.
Es sind insbesondere z-Achsen-Resonanzbeschleunigungsmesser vorgeschlagen worden, die unter Verwendung der „Oberflächen-Mikrobearbeitungs”-Technik hergestellt worden sind, deren Arbeitsprinzip auf dem Erkennen einer Veränderung der Resonanzfrequenz aufgrund einer Variation der elektrischen Steifigkeit beruht.
Beschleunigungsmesser dieser Art werden z. B. in den folgenden Dokumenten beschrieben:

[1] S. Sung, J. G. Lee, T. Kang, ”Development and test of MEMS accelerometer with self-sustained oscillation loop”, Sensors and Actuators, 109, 1–8 (2003);
[2] B. Lee, C. Oh, S. Lee, Y. Oh, K. Chun, ”A vacuum packaged differential resonant accelerometer using gap sensitive 20 electrostatic stiffness changing effect”, Proc. MEMS 2000;
[3] H. C. Kim, S. Seok, I. Kim, S-D. Choi, K. Chun, ”Inertial-grade out-of-plane and in-plane differential resonant silicon accelerometers (DRXLs)”, Proc. Transducers '05, Seoul, Korea, June 5–9, 172–175 (2005).

Das Arbeitsprinzip dieser Resonanzbeschleunigungsmesser kann wie folgt zusammengefasst werden: eine externe Beschleunigung a übt auf eine träge Masse m der Detektionsstruktur eine Trägheitskraft F = m·a aus; diese äußere Kraft induziert eine dazu proportionale Verschiebung oder Rotation der trägen Masse, was eine Veränderung des Abstandes oder der Lücke zwischen der trägen Masse und dem ihr gegenüberliegenden Substrat und auf dem Substrat ausgebildeten Detektionselektroden bewirkt. Die Veränderung der Lücke erzeugt eine Variation einer elektrischen Steifigkeit K_e, und dies bewirkt eine korrespondierende Variation der Resonanzfrequenz des Resonanzelements, unabhängig davon, ob dieses durch die gesamte träge Masse, einen Teil davon oder ein eigenes, damit gekoppeltes Element gebildet wird.
Insbesondere benutzt der auf diesem Prinzip basierende Beschleunigungsmesser, der im Dokument [1] vorgeschlagen worden ist, die gesamte trägen Masse der Detektionsstruktur als Resonatorelement, das mittels elastischer Abstützelemente, die an den Rändern der trägen Masse angeordnet sind, eigens über das Substrat aufgehängt ist und durch eine damit gekoppelte Elektronik in einem geeigneten Resonanzzustand gehalten wird.
Diese Struktur hat jedoch den Nachteil, dass es, da die Detektionsachse mit der Schwingungsachse der Resonanzmasse übereinstimmt, schwierig ist, zu überprüfen, ob der Resonanzmodus stabil ist. Darüber hinaus kann bei vorgegebenen Abmessungen der Resonanzmasse (die der gesamten trägen Masse entspricht) die Menge an Energie, die notwendig ist, um sie in Resonanz zu bringen, im Allgemeinen hoch sein.
Eine alternative Lösung wird durch die Beschleunigungsmesser repräsentiert, die in den zuvor als [2] und [3] bezeichneten Dokumenten vorgeschlagen worden sind, in denen die elektromechanische Detektionsstruktur durch eine träge Masse und zwei mit ihr gekoppelte Torsionsresonatoren gebildet wird. Die in der Literatur für Resonanzbeschleunigungsmesser, die durch Oberflächen-Mikroherstellung hergestellt worden sind, berichtete Empfindlichkeit beträgt für eine Beschleunigung von 1 g einige wenige Zehntel eines Hertzes. Für das im Dokument [2] beschriebene Gerät erreicht die Empfindlichkeit bei Gesamtabmessungen der mobilen trägen Masse von ungefähr 2,5 mm × 2 mm mit einer Dicke von 40 μm (d. h. Abmessungen, die inbesondere im Fall portabler Anwendungen ziemlich groß sind) ungefähr 70 Hz/g. Im Falle des Dokuments [1] beschriebenen Gerätes erreicht die Genauigkeit bei Gesamtabmessungen der mobilen trägen Masse von ungefähr 1 mm × 1 mm mit einer Dicke von 40 μm ungefähr 25 Hz/g.
Die bisher vorgeschlagenen MEMS-Resonanzbeschleunigungsmesser unterscheiden sich daher in der Anordnung, die für die mechanische Detektionsstruktur vorgesehen ist (insbesondere unter dem Gesichtspunkt der unterschiedlichen Anordnung der Resonatorelemente in Bezug auf die träge Masse) und dementsprechend in den elektrischen Eigenschaften, die sich daraus ergeben, insbesondere in Bezug auf die Detektionsempfindlichkeit der äußeren Beschleunigung.
Keiner dieser Beschleunigungsmesser ist jedoch in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften und mechanischen Abmessungen vollständig zufriedenstellend, insbesondere im Falle portabler Anwendungen, in denen insbesondere niedrige Verbrauchsniveaus und kleine Abmessungen erforderlich sind.
Offenbarung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Detektionsstruktur für einen Resonanzbeschleunigungsmesser mit verbesserten mechanischen und elektrischen Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf die Empfindlichkeit bei der Detektion äußerer Beschleunigungen und in Bezug auf die sich daraus ergebenden Abmessungen, zur Verfügung zu stellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird demzufolge eine Detektionsstruktur für einen Resonanzbeschleunigungsmesser zur Verfügung gestellt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele allein als nicht beschränkende Beispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Detektionsstruktur eines Resonanzbeschleunigungsmessers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2a die Rotation einer trägen Masse der Detektionsstruktur aus 1 aufgrund einer externen Vertikalbeschleunigung zeigt;
2b die Verformung der Torsionsresonatoren der Detektionsstruktur aus 1 zeigt;
3a und 3b schematisch jeweils einen seitlichen Schnitt eines Resonators und der trägen Masse der Detektionsstruktur aus 1 zeigen;
4 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Resonanzbeschleunigungsmessers, der die Detektionsstruktur enthält, und eines elektronischen Apparates, der mit dem Resonanzbeschleunigungsmesser ausgestattet ist, ist;
5 eine detailliertere Draufsicht auf eine Detektionsstruktur eines Resonanzbeschleunigungsmessers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und
6 eine Draufsicht auf die Detektionsstruktur aus 5 ist, wobei die elektrischen Leiterbahnen gezeigt sind.
Beste Art die Erfindung auszuführen
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer mikroelektromechanischen Detektionsstruktur eines z-Achsen-Resonanzbeschleunigungsmessers, die als Ganzes mit 1 bezeichnet ist. Die Detektionsstruktur 1 ist in integrierte Art und Weise mit Mikro-Halbleiterflächen-Bearbeitungstechniken, insbesondere ausgehend von einem Block aus einem Halbleitermaterial (wie z. B. Silizium) hergestellt.
Die Detektionsstruktur hat eine einzelne träge Masse 2, die in einer xy-Ebene, die mit einer Ebene ihrer Haupterstreckung übereinstimmt und durch eine erste horizontale Achse x und eine zweite horizontale Achse y definiert wird, eine im Allgemeinen rechteckige Form hat; die träge Masse 2 hat in einer Richtung orthogonal zu dieser xy-Ebene entlang einer vertikalen Achse z, die mit den zuvor genannten ersten und zweiten horizontalen Achsen x, y einen Satz von drei orthogonalen Achsen bildet, eine (in Bezug auf die Abmessungen der xy-Ebene) im Wesentlichen vernachlässigbare Abmessung. Die vertikale Achse z definiert darüber hinaus die Richtung der Detektion einer äußeren Beschleunigung durch die Detektionsstruktur 1.
Die träge Masse 2 ist an einem darunter liegenden Substrat, das hier nicht gezeigt ist, zum Beispiel einem Substrat aus einem Halbleitermaterial (wie z. B. Silizium), verankert, so dass sie über dem Substrat schwebt, wobei die xy-Ebene in einem Ruhezustand, d. h. wenn keine äußere Beschleunigung vorhanden ist, im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Substrats ausgerichtet ist.
Die träge Masse 2 ist insbesondere elastisch mit einer einzelnen zentralen Verankerung 4 gekoppelt, die innerhalb der Gesamtabmessungen der trägen Masse 2 in der xy-Ebene angeordnet ist. Die zentrale Verankerung 4 wird beispielsweise von einer Stütze gebildet, die sich vertikal soweit wie das Substrat erstreckt und mechanisch mit diesem gekoppelt ist. Die zentrale Verankerung 4 ist insbesondere in einem ersten Fenster 5 vorgesehen, das innerhalb der trägen Masse 2 ausgebildet ist und erstreckt sich durch deren Dicke.
Die träge Masse 2 ist durch die elastischen Verankerungselemente 6 (zwei in dem 1 gezeigten Ausführungsbeispiel) mit der zuvor erwähnten zentralen Verankerung 4 verbunden und als Ganzes (insbesondere in Bezug auf Biege- und Torsionssteifigkeit) so aufgebaut, dass sie die träge Masse 2 über dem Substrat in der Schwebe hält und eine Rotationsbewegung davon aus der xy-Ebene um eine erste Rotationsachse A, die im Wesentlichen parallel zur zweiten horizontalen Achse y angeordnet ist und durch die Achse der Erstreckung des gleichen elastischen Verankerungselements 6 definiert wird, ermöglicht. Diese Bewegung repräsentiert den ersten Normalmodus der trägen Masse 2 und ist in 2a schematisch gezeigt (wobei die dünnere Linie den Ruhezustand repräsentiert).
Die träge Masse 2 hat insbesondere eine Massenverteilung, die im Bezug auf die erste Rotationsachse A so asymmetrisch ist, dass sie exzentrisch auf die zentrale Verankerung 4 beschränkt ist. Die träge Masse 2 hat tatsächlich entlang der ersten Horizontalachse x eine asymmetrische Massenverteilung, mit einem ersten Bereich 2a und einem zweiten Bereich 2b, die im Bezug auf die erste Rotationsachse A aufeinander gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, wobei der erste Bereich 2a entlang der ersten Horizontalachse x eine Abmessung hat, die größer als die des zweiten Bereichs 2b ist. Die gesamte Detektionsstruktur 1 ist im Wesentlichen in Bezug auf eine zentrale Symmetrieachse, die parallel zur ersten horizontalen Achse x ausgerichtet ist (und durch die zentrale Verankerung 4 verläuft), symmetrisch.
Die elastischen Verankerungselemente 6 sind im Wesentlichen symmetrisch zu der ersten Rotationsachse A angeordnet und erstrecken sich entlang der zweiten horizontalen Achse y, wobei sie in Bezug auf die zentrale Verankerung 4 auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
Genauer weist jedes der elastischen Verankerungselemente 4 eine Torsionsfeder vom Typ ”gefalteter Balken” auf, die sich im Wesentlichen entlang der zweiten horizontalen Achse y erstreckt und die auf bekannte Weise aus mehreren parallel zueinander angeordneten rechteckigen Bereichen 6a besteht, die sich entlang der zweiten horizontalen Achse y erstrecken und an korrespondierenden Enden durch Verbindungsbereiche 6b, die sich in einer Richtung quer zu den rechteckigen Bereichen 6a entlang der ersten horizontalen Achse x erstrecken (und eine Längserstreckung haben, die viel kleiner als die der rechteckigen Bereiche 6a ist), miteinander verbunden sind. Die rechteckigen Bereiche 6a sind darüber hinaus sehr dünn (d. h. sie haben in der Erstreckungsrichtung eine Länge die viel größer als die dazugehörige Breite ist).
Insbesondere ist ein erster der rechteckigen Bereiche 6a, der im Bezug auf die Rotationsachse A weiter außen angeordnet ist, an einem seiner Enden mit der trägen Masse 2 verbunden, wobei er mit einer inneren Seitenfläche der trägen Masse 2 verbunden ist, die der ersten Öffnung 5 gegenüberliegt, wogegen ein zweiter der rechteckigen Bereiche 6a, der auch außerhalb und in Bezug auf die gleiche Rotationsachse A auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, mit der zentralen Verankerung 4 verbunden ist.
Die Detektionsstruktur 1 weist auch eine erstes Resonatorelement 10a und ein zweites Resonatorelement 10b auf, die von jeweiligen aufgehängten Massen gebildet werden (die Abmessungen haben, die in der xy-Ebene viel kleiner als die der trägen Masse 2 sind) und die in Bezug auf die erste Rotationsachse A auf gegenüberliegenden Seiten der zentralen Verankerung 4 in Bezug auf diese erste Rotationsachse A symmetrisch angeordnet ist.
In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Resonatorelement 10a innerhalb der trägen Masse 2, insbesondere in einem zweiten Fenster 12, das durch den ersten Bereich 2a der trägen Masse 2 ausgebildet ist, angeordnet, während das zweite Resonatorelement 10b an einer im Bezug auf die träge Masse 2 äußeren seitlichen Position in einem dritten Fenster 13 angeordnet ist, das im zweiten Bereich 2b der trägen Masse 2 ausgebildet ist. Das zweite Resonatorelement 10b ist insbesondere im maximal möglichen Abstand von der ersten Rotationsachse A angeordnet, so dass seine äußeren Seitenfläche, die in der 2a mit S₁ bezeichnet ist, in Richtung der zweiten Horizontalachse y und bündig mit der jeweiligen äußeren Seitenfläche der trägen Masse 2 (die in der gleich 2a mit S₂ bezeichnet wird) ausgerichtet ist.
Die Resonatorelemente 10a, 10b sind durch jeweilige elastische Abstützelmente 16 vom Torsionstyp, die so eingerichtet sind, dass sie es den Resonatorelementen ermöglichen, um eine jeweilige zweite Rotationsachse B und eine jeweilige dritte Rotationsachse C, die parallel zur ersten Rotationsachse A und zu zweiten horizontalen Achse y sind, eine Rotationsbewegung aus der xy-Ebene auszuführen, mit der trägen Masse 2 verbunden. Diese Bewegung bildet den ersten Normalmodus der Resonatorelemente 10a, 10b und ist schematisch in der 2b gezeigt (wobei der Ruhezustand wiederum durch eine dünnere Linie dargestellt ist).
Die Rotationsachsen D, C sind auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Rotationsachse A symmetrisch dazu in einem Abstand r (der in der 3b gezeigt ist) angeordnet. Dieser Abstand r ist im Wesentlichen gleich der Differenz zwischen der Erstreckung des ersten Bereichs 2b der trägen Masse 2 entlang der ersten horizontalen Achse x und der halben Erstreckung der Masse des Resonatorelements 10b, das in der 3a mit b gezeichnet ist, entlang der gleichen Achse x.
Ausführlicher ist jedes Resonatorelement 10a, 10b durch ein Paar elastischer, von Torsionsfedern gebildeter Abstützelemente 16, die sich im Bezug auf das jeweilige Resonatorlement 10a, 10b auf gegenüberliegenden Seiten im Wesentlichen zentral dazu entlang der zweiten horizontalen Achse y erstrecken (und die im Wesentlichen wie in Bezug auf die elastischen Verankerungselemente 6 beschrieben aufgebaut sind) mit dem jeweiligen Bereich 2a, 2b der trägen Masse 2 verbunden. Die elastischen Abstützelemente 16 erstrecken sich innerhalb der Fenster 12, 13, die einen geeigneten Aufbau haben (und die so eingerichtet sind, dass sie sowohl die Gesamtabmessungen der Resonatorelemente 10a, 10b als auch die Gesamtabmessungen der elastischen Abstützelemente 16 umfassen) zwischen den jeweiligen Resonatorelementen 10a, 10b und der trägen Masse 2.
Unter Bezugnahme auch auf die 3a und 3b weist die Detektionsstruktur für jedes Resonatorelement 10a, 10b zusätzlich ein Paar Elektroden 17, 18 auf, die in Bezug auf die zugehörende Rotationsachse B, C auf gegenüberliegenden Seiten unterhalb des zugehörigen Resonatorelements 10a, 10b angeordnet sind. Die Elektroden 17 und 18 sind auf dem Substrat der Detektionsstruktur 1, dass in den 3a, 3b mit 20 bezeichnet ist, angeordnet.
Eine erste Elektrode, die als ”antreibende Elektrode” 17 bezeichnet wird, wird benutzt, um das zugehörige Resonanzelement 10a, 10b durch Anlegen einer geeigneten elektrischen Potentialdifferenz in einen Resonanzzustand anzutreiben. Das Resonatorelement 10a, 10b wird insbesondere auf einen konstante Vorspannspannung V_p gelegt, während die zugehörige Antriebselektrode 17 auf eine sich zeitlich verändernde Antriebsspannung V_a(t) gelegt wird, die z. B. eine Sinuswellenform hat, um eine oszillierende Rotationsresonanzbewegung des Resonatorelements 10a, 10b zu induzieren.
Die antreibende innere Resonanz der Resonanzelemente 10a, 10b wird insbesondere kontinuierlich, unabhängig von der Rotation der trägen Masse 2 aufgrund des Vorhandenseins der zu erkennenden äußeren Beschleunigung, induziert.
Eine zweite Elektrode, die als ”Detektionselektrode” 18 bezeichnet wird, wird benutzt, um mittels einer Variation der kapazitiven Kopplung mit dem Resonatorelement 10a, 10b Veränderungen der zugehörigen Resonanzfrequenz (gemäß einem Detektionsschema, dass als ”Parallelplattenerkennung” bekannt ist) zu erkennen. Die Detektionselektrode 18 wird im Allgemeinen auf Masseniveau (0 V) gehalten.
Die Antriebselektroden 17 werden aus Gründen, die im Folgenden erklärt werden, insbesondere in einer seitlichen Position angeordnet, die in Bezug auf die erste Rotationsachse A und die Gesamtabmessungen der trägen Masse 2 in der xy-Ebene weiter außen ist.
In den gleichen 3a, 3b bezeichnet c den Abstand zwischen der Rotationsachse B oder C und den Elektroden 17 und 18 entlang der ersten horizontalen Achse x; b bezeichnet die Hälfte der Erstreckung der Resonatorelemente 10a, 10b entlang der gleichen ersten horizontalen Achse x; g₀ bezeichnet die Lücke im Ruhezustand (d. h., wenn weder die Antriebs- noch die äußere Beschleunigung vorhanden sind) zwischen den Elektroden 17, 18 und dem korrespondieren Resonatorelement 10a, 10b entlang der vertikalen Achse z; θ bezeichnet den Rotationswinkel des Resonanzelements 10a, 10b um die jeweilige Rotationsachse B, C; und β bezeichnet den Rotationswinkel der trägen Masse 2 um die erste Rotationsachse A.
Auf eine hier nicht gezeigte Weise (die jedoch im Folgenden beschrieben werden wird) sind geeignete elektrische Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der zuvor genannten Elektroden 17, 18 mit einer elektronischen Schaltung vorgesehen, die mit der Detektionsstruktur 1 gekoppelt ist. Diese elektronische Schaltung ist so aufgebaut, dass sie elektrische Antriebssignale an die Detektionsstruktur 1 liefert und die von der gleichen Detektionsstruktur bereitgestellten elektrischen Detektionssignale empfängt und verarbeitet.
Nun folgt eine Beschreibung der Arbeitsweise der Detektionsstruktur 1 wieder im Bezug auf die 3a, 3b, die jeweils zeigen: Die Rotation eines Resonatorelements 10a, 10b (insbesondere des ersten Resonatorelement 10a) in Reaktion auf das Antriebssignal; und die Rotation der trägen Masse 2 in Reaktion auf eine äußere Beschleunigung a_z, die entlang der vertikalen Achse z wirkt (es ist anzumerken, dass zur Vereinfachung der Darstellung in der 3b die Resonatorelemente 10a, 10b in einem Ruhezustand gezeigt sind, aber es ist zu verstehen, dass die Resonanzoszillation in jedem Fall vorhanden ist, auch wenn die äußere Beschleunigung a_z vorhanden ist). Wenn keine äußere Beschleunigung a_z vorhanden ist, werden die beiden Resonanzelemente 10a, 10b mit der gleichen nominalen Oszillationsfrequenz f₀ in Rotation gehalten, die durch den folgenden Ausdruck gegeben ist.
wobei K_m, und J_p jeweils die mechanische Torsionssteifigkeit und das Polarmoment der Trägheit der Masse der Resonatorelemente 10a, 10b sind, und K_e ihre elektrische Torsionssteifigkeit ist, die durch folgenden Ausdruck gegeben ist
wobei Ɛ₀ die Dielektrizitätskonstante im Vakuum und L die Abmessung entlang der zweiten horizontalen Achse y der Masse der Resonatorelemente 10a und 10b ist.
Das Drehmoment T_e aufgrund der elektrostatischen Anziehung, die auf jedes Resonatorelement 10a, 10b wirkt, ist für kleine Winkel θ und kleine Antriebsspannungen darüber hinaus gegeben durch T_e ≈ T_e0 + K_eθ (3) wobei
Wenn die Detektionsstruktur einer linearen Beschleunigung entlang der vertikalen Achse z ausgesetzt ist, unterliegen die elastischen Verankerungselemente 6 einer Torsionsdeformation, die es der trägen Masse 2 ermöglichen, um die erste Rotationsachse A aus der xy-Ebene heraus zu rotieren.
Als ein Ergebnis der Rotation unterliegen die Resonatorelemente 10a, 10b, die mit der trägen Masse 2 verbunden sind, einer entsprechenden Verschiebung entlang der vertikalen Achse z, wie in der 3b gezeigt, und insbesondere bewegt sich ein erstes Resonatorelement, z. B. das erste Resonatorelement 10a, weg von dem Substrat 20 (und den Elektroden 17, 18, die darauf angeordnet sind), wogegen sich das andere Resonatorelement, insbesondere das zweite Resonatorelement 10b, dem Substrat 20 nähert.
Im Ruhezustand ist der mittlere Abstand zwischen dem ersten Resonatorelement 10a und dem Substrat 20 (und den Elektroden 17, 18, die darauf angeordnet sind) ungefähr gleich g₀ + βr, während der Abstand zwischen dem zweiten Resonatorelement 10b und dem gleichen Substrat 20 im Ruhezustand ungefähr gleich g₀ – βr ist (es ist anzumerken, dass für kleine Verschiebungen, die Näherung sinβ ≈ β gilt).
Die elektrische Steifigkeit, die aufgrund des kapazitiven Antriebs vorhanden ist, ist umgekehrt proportional zur dritten Potenz des Abstandes g zwischen dem Resonanzelement 10a, 10b und der darunter liegenden Antriebselektrode 17 und nimmt daher für das erste Resonanzelement 10a ab, während sie für das zweite Resonanzelement 10b zunimmt.
Mit Hilfe der Gleichung (1) ist es möglich, die neue Resonanzfrequenz f₁ des ersten Resonanzelements 10a, die abgenommen hat, und die neue Resonanzfrequenz f₂ des zweiten Resonanzelements 10b, die dementsprechend zugenommen hat, zu berechnen:
Durch Kombinieren der Messwerte, die von den beiden Resonatorelementen 10a, 10b, insbesondere über die zugehörigen Detektionselektroden 18, erhalten werden, ist es möglich, ausgehend von der Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen f₁, f₂ den Wert der äußeren Beschleunigung a_z, die in vertikaler Richtung auf die Detektionsstruktur 1 wirkt, zu bestimmen.
Insbesondere ist es durch Kombinieren der Signale, die von den beiden Resonatorelementen 10a, 10b erzeugt werden, unter Verwendung der um f₀ linearisierten Ausdrücke (5) und (6) möglich, die Frequenzveränderung Δf
zu bestimmen.
Der Rotationswinkel β kann darüber hinaus durch den folgenden Ausdruck bestimmt werden
wobei a_z die äußere Beschleunigung entlang der vertikalen Achse z ist, R_G der Abstand des Massenzentrums der trägen Masse 2 von der ersten Rotationsachse A ist, G das elastische Schermodul ist, und w und s jeweils die Abmessung in der Ebene und außerhalb der xy-Ebene des Querschnitts des elastischen Verankerungselement 6 sind, und n_r und L_r jeweils die Anzahl der Faltungen und die Länge jedes rechtwinkeligen Bereichs 6a des elastischen Verankerungselements 6 sind.
Mit Hilfe der Ausdrücke (7) und (8) ist es daher möglich, die Empfindlichkeit der Detektionsstruktur 1 wie folgt zu erhalten:
Wie in der 4 gezeigt, ist die Detektionsstruktur zweckmäßigerweise mit einer geeigneten elektronischen Lese- und Antriebsschaltung 22 gekoppelt, die unter anderem ausgebildet ist, geeignete Verarbeitungsoperationen und Kombinationen der Werte der Resonanzfrequenzen f₁, f₂ (insbesondere die Differenz dieser Werte) auszuführen, um den Wert der äußeren Beschleunigung a_z zu bestimmen.
Die Detektionsstruktur 1 und die zugehörige elektronische Lese- und Antriebsschaltung 22 bilden zusammen einen z-Achsen-Resonanzbeschleunigungsmesser 24; die elektronische Leseschaltung 22 wird zweckmäßigerweise auf integrierte Weise als ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) in einem Chip zur Verfügung gestellt, der vorteilhafterweise in dem gleichen Gehäuse angeordnet sein kann, in dem auch der Chip, der die Detektionsstruktur 1 zur Verfügung stellt, angeordnet ist.
Wie schematisch in der gleichen 4 gezeigt, weist eine elektronische Vorrichtung 26, die mit dem Resonanzbeschleunigungsmesser 24 zur Verfügung gestellt wird, z. B. eine portable Vorrichtung, wie z. B. ein Laptop, ein Palmtop, oder eine Foto- bzw. Video-Kamera, zusätzlich eine Steuereinheit 28 (z. B. eine Mikroprozessorsteuereinheit) auf, die elektrisch mit der elektronischen Lese- und Antriebsschaltung 22 verbunden ist, um die Beschleunigungsmessungen zu empfangen, um Steuerbefehle zum Betreiben der elektronischen Vorrichtung 26 auszuführen.
Es ist zu betonen, dass das Vorhandensein der beiden Resonatorelemente 10a, 10b, die entgegengesetzten Veränderungen der Resonanzfrequenz ausgesetzt sind, verschiedene Vorteile hat, unter denen sind:

– die Empfindlichkeit des Erkennens der äußeren Beschleunigung wird durch Messen der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Resonanzelemente an Stelle der Veränderung der Frequenz eines einzelnen Resonanzelementes verdoppelt;
– die Linearität des Systems wird verbessert, d. h. die Reaktion des Beschleunigungsmessers kann über einen weiteren Bereich von Beschleunigungen linearisiert werden; und
– die beschriebene Geometrie ist weniger empfindlich gegenüber störenden Effekten der thermischen Belastung da, wenn die Differenz zwischen den Frequenzen betrachtet wird, ein nicht-elastischer Effekt, der ein Vorspannen der Resonatorelemente bewirkt, aufgehoben wird.

Die 5 und 6 sind detailliertere Draufsichten auf ein besonderes Ausführungsbeispiel der Detektionsstruktur, die erneut mit 1 bezeichnet wird, wobei es möglich ist, neben anderen Merkmalen, das Vorhandensein von Öffnungen zu erkennen, die durch die Dicke der trägen Masse 2 und der Resonatorelemente 10a, 10b ausgebildet sind, um es zu ermöglichen, diese durch chemisches Ätzen darunterliegender Bereiche des Materials von dem Substrat 20 zu lösen.
Es sind auch Stoppelemente (Stopper) 30 erkennbar, die an den Ecken der trägen Masse 20 angeordnet sind, um den Bereich störender Bewegungen der trägen Masse 2 in der xy-Ebene zu begrenzen. Diese Stopper 30 sind vorzugsweise im Substrat 20 verankert und in der Lage, die Bewegung der trägen Masse 2 vor einer möglichen Fehlfunktion zu stoppen.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Resonatorelemente 10a, 10b durch jeweilige aufgehängte Massen gebildet, die in der Draufsicht eine im Wesentlichen quadratische Form haben.
Darüber hinaus öffnet sich in diesem Fall auch das zweite Fenster 12 nach außen und hat einen Verlängerungsbereich 12a, der sich von der Masse des ersten Resonatorelements 10a zur Außenseite der trägen Masse 2 erstreckt, durch das sich der gesamte Teil des ersten Bereichs 2a der trägen Masse 2 parallel zur ersten horizontalen Achse x erstreckt. Das dritte Fenster 13 definiert dagegen im zweiten Bereich 2b der trägen Masse 2 eine Ausnehmung 13a, um einen Teil des zweiten Resonatorelements 10b aufzunehmen und die Ausbildung und geeignete Anordnung der elastischen Abstützelemente 16 zu ermöglichen.
Wie noch klarer in der 6 gezeigt, ermöglicht diese geometrische Anordnung, dass erste elektrische Leiterbahnen, die mit 34 bezeichnet sind, in Richtung der Antriebselektroden 17, die zu diesem Zweck vorteilhafterweise in Bezug auf die erste Rotationsachse A auf der Außenseite der Detektionsstruktur angeordnet sind und einem Pfad folgen, der nicht unterhalb der trägen Masse 2 verläuft, um jegliche unerwünschte Bewegungen davon aufgrund elektrischer Antriebsgrößen zu vermeiden. Darüber hinaus sind sowohl die ersten elektrischen Leiterbahnen 34, die zu den Antriebselektroden 17 verlaufen, und die zweiten elektrischen Leiterbahnen, die mit 35 bezeichnet sind und zu den Detektionselektroden 18 verlaufen, vorteilhafterweise im Wesentlichen symmetrisch zur ersten Rotationsachse A.
Die ersten und zweiten elektrischen Leiterbahnen 34, 35 sind in bekannter Weise auf dem Substrat 20 vorgesehen, von dem sie durch ein geeignetes dielektrisches Material isoliert sind, und kontaktieren die Elektroden 17, 18 (die, z. B. ausgehend von ein und derselben Materialsschicht, z. B. Polysilicon, erhalten werden).
Die Empfindlichkeit in Bezug auf Beschleunigungen entlang der vertikalen Achse z der in den 5 und 6 gezeigten Detektionsstruktur mit einer Abmessung der trägen Masse 2 von ungefähr 400 μm (entlang der ersten horizontalen Achse x) × 300 μm (entlang der zweiten horizontalen Achse y) × 15 μm (entlang der vertikalen Achse z) und einer Vorspannungspannung V_p von 6 V ist größer als 300 Hz/g; die Abmessungen der Resonatorelemente 10a, 10b sind in diesem Fall 105 μm × 105 μm mit der gleichen Dicke von 15 μm, und die nominale Resonanzfrequenz ist 23 kHz.
Wie zuvor erwähnt kann die Detektionsstruktur 1 mit einem Verfahren der Oberflächen-Mikrobearbeitung, z. B. unter Benutzung des sogenannten ThEL-MA-Verfahrens („Thick Epipoly Layer for Microactuators and Accelerometers”) erhalten werden.
Das ThELMA-Verfahren ermöglicht die Herstellung schwebender Strukturen mit relativ enthaltenen Dicken (z. B. im Bereich von 10–15 μm), die durch elastische Bereiche (Federn) in dem Substrat verankert sind und dementsprechend in der Lage sind, sich im Bezug auf das darunterliegende Silikonsubstrat zu verschieben. Das Verfahren umfasst verschiedene Herstellungsschritte, unter denen sind:

– thermische Oxidation des Substrats;
– Ablagern und Mustern horizontaler elektrischer Verbindungen (die, z. B., darauf zielen, die Elektroden 17, 18 und die elektrischen Leiterbahnen 34, 35 zu erhalten);
– Ablagern und Mustern einer Opferschicht;
– Epitaktisches Wachsen einer Strukturschicht (die z. B. aus Polysilicon mit einer Dicke von 15 μm besteht und darauf zielt, die aufgehängten Massen auszbilden);
– Mustern der Strukturschicht durch das Ätzen von Gräben;
– Entfernen des Opferoxids, um die verschiedenen schwebenden Massen freizulegen; und
– Ablagern von Kontakt-Metallisierungen.

Aus dem zuvor Beschriebenen und Gezeigten werden die Vorteile, welche die vorliegende Lösung hervorbringt, ersichtlich.
Insbesondere die vorgeschlagene geometrische Konfiguration (z. B. in Bezug auf die Position der Resonanzelemente 10a, 10b relativ zu der trägen Masse 2) und die Tatsache, dass die Resonatorelemente 10a, 10b um Achsen rotieren, die parallel zur Rotationsachse der trägen Masse 2 sind, ermöglichen eine Verringerung der gesamten Abmessungen der Erfindungsstruktur 1.
Die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers (gemessen als Veränderung der Frequenz pro 1 g äußerer Beschleunigung), die mit der beschriebenen Struktur erhalten werden kann, ist auch mit den kleineren Gesamtabmessungen höher als die, die mit bekannten Strukturen erhalten werden kann, wie sie z. B. in den zuvor zitierten Dokumenten [1], [2] und [3] beschrieben worden sind.
Um die Empfindlichkeit der Detektion zu erhöhen, während kleine Abmessungen beibehalten werden, ist es insbesondere vorteilhaft, eines der Resonatorelemente, in den gezeigten Ausführungsbeispielen das zweite Resonatorelement 10b, im Bezug auf die träge Masse 2 seitlich im maximalen Abstand, der von den Gesamtabmessungen der trägen Masse 2 in der xy-Ebene ermöglicht wird (ohne diese Gesamtabmessungen zu vergrößern), zu positionieren.
Im Allgemeinen nimmt die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers für lineare Beschleunigungen mit der Verschiebung aus der Ebene an einem Punkt, der den beiden Resonanzelementen 10a, 10b entspricht (und daher mit dem Abstand der Resonatorelemente 10a, 10b von der ersten Rotationsachse A) zu. Andererseits wird diese Verschiebung durch den Raum begrenzt, der zwischen dem Substrat und der trägen Masse 2 vorhanden ist. Die Steifigkeit der elastischen Elemente und die Abmessungen der trägen Masse werden daher unter Berücksichtigung der typischen Lücke eines vorgegebenen Oberflächen-Mikrobearbeitungsprozesses optimiert.
Die elektrischen Leiterbahnen 34, 35, die zum Antreiben der Resonatorelemente und Detektion der Resonanzfrequenzen erforderlich sind, können darüber hinaus symmetrisch zur ersten Rotationsachse A der initialen Masse 2 angeordnet sein, und es ist möglich, zu verhindern, dass die ersten elektrischen Leiterbahnen 34, die zum Antrieb vorgesehen sind, unterhalb der initialen Masse verlaufen, wo sie aufgrund der elektrostatischen Anziehung unerwünschte Bewegungen verursachen können.
Im Vergleich zu anderen MEMS-Resonanzbeschleunigungsmessern, die in der Literatur vorgeschlagen worden sind, ermöglicht das Vorhandensein von zwei Resonatorelementen, die Variationen der Frequenz mit entgegengesetztem Vorzeichen ausgesetzt sind, das Messen einer äußeren Beschleunigung selbst dann, wenn ein Fall des Zusammenwirkens vorliegt, der z. B. durch eine thermische Variation, die eine Unebenheit der Detektionsstruktur induzieren kann, erzeugt worden ist. Die Differenzmessung selbst vergrößert auch den Linearitätsbereich der Beschleunigungsmessung.
Darüber hinaus ist es, z. B. für die Frage des Energiesparens, vorteilhaft, dass der Resonanzbereich der Detektionsstruktur 1 nicht von der gesamten trägen Masse 2 gebildet wird, sondern nur von den beiden Resonanzelementen 10a, 10b, die durch die unterhalb ihrer Massen angeordneten Antriebselektroden 18 geeignet angetrieben werden.
Zusammenfassend ist klar, dass Modifikationen und Variationen des hier Beschriebenen und Gezeigten gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, zu verlassen.
Insbesondere ist es offensichtlich, dass sich die geometrische Form der Detektionsstruktur 1 oder von Teilen davon von den zuvor beschriebenen unterscheiden können, ohne relevante Veränderungen des Arbeitsprinzips mit sich zu bringen.
Darüber hinaus kann die Detektionsstruktur 1 im Falle der Verwendung geeigneter Herstellungsverfahren, die das Erzeugen submikrometrischer Abmessungen vorsehen, vom nano-elektromagnetischen Typ sein.

Claims

Detektionsstruktur (1) für einen z-Achsen-Resonanzbeschleunigungsmesser (24) aufweisend: – eine träge Masse (2), die mittels elastischer Verankerungselemente (6) so an einem Substrat (20) angebracht ist, dass sie über dem Substrat (20) in der Schwebe gehalten wird, wobei die elastischen Elemente (6) so eingerichtet sind, dass sie es der trägen Masse (2) ermöglichen, in Reaktion auf eine äußere Beschleunigung (a_z), die entlang einer vertikalen Achse (z) quer zu einer Ebene (xy) wirkt, eine Trägheitsrotationsbewegung um eine erste Rotationsachse (A) parallel zu einer horizontalen Achse (y), die zur Ebene (xy) der Haupterstreckung der trägen Masse (2) gehört, auszuführen; und – ein erstes Resonatorelement (10a) und eine zweites Resonatorelement (10b), die durch jeweilige elastische Abstützelemente (16) mechanisch mit der trägen Masse (10) gekoppelt sind, wobei die elastischen Abstützelemente (16) eingerichtet sind, eine Rotationsbewegung des ersten Resonatorelements (10a) um eine zweite Rotationsachse (B) und des zweiten Resonatorelements (10b) um eine dritte Rotationsachse (C) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rotationsachse (B) und die dritte Rotationsachse (C) parallel zueinander und darüber hinaus parallel zur ersten Rotationsachse (A) der trägen Masse (2) ausgerichtet sind.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die elastischen Verankerungselemente (6) die träge Masse (2) mit einer zentralen Verankerung (4), die in einem ersten Fenster (5), das in der ersten trägen Masse (2) ausgebildet ist, angeordnet ist, verbinden und sich entlang der ersten Rotationsachse (A) erstrecken; und wobei die träge Masse (2) in Bezug auf die erste Rotationsachse (A) eine asymetrische Massenverteilung hat, so dass sie exzentrisch mit dem Substrat (20) verbunden ist.
Struktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Resonatorelement (10) in Bezug auf eine Gesamtabmessung der trägen Masse (2) in der Ebene (xy) in einer äußeren seitlichen Position angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 3, wobei das erste Resonatorelement (10a) und das zweite Resonatorelement (10b) jeweils in einem zweiten Fenster (12) und in einem dritten Fenster (13) angeordnet sind, die in der trägen Masse (2) ausgebildet sind; und wobei das dritte Fenster (13) der Außenseite der trägen Masse (2) zugewandt ist und das zweite Resonatorelement (10b) eine äußere Seitenfläche (S₁) hat, die entlang der Horizontalachse (y) und bündig mit einer jeweiligen äußeren Seitenfläche (S₂) der trägen Masse (2) ausgerichtet ist.
Struktur nach Anspruch 4, wobei das zweite Resonatorelement (10b) in einem maximal möglichen Abstand von der ersten Rotationsachse (A) angeordnet ist, so dass es innerhalb der Gesamtabmessungen der trägen Masse (2) in der Ebene (xy) bleibt.
Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Resonatorelement (10a) und das zweite Resonatorelement (10b) in Bezug auf die erste Rotationsachse (A) symmetrisch angeordnet sind, so dass die zweite Rotationsachse (B) und die dritte Rotationsachse (C) im gleichen Abstand (r) von der Rotationsachse (A) angeordnet sind.
Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elastischen Verankerungselemente (6) und die elastischen Abstützelemente (16) durch Torsionsfedern mit gefalteten Trägern gebildet werden, die eine Haupterstreckung entlang der horizontalen Achse (y) haben.
Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Antriebselemente (17) mit dem ersten Resonatorelement (10a) und dem zweiten Resonatorelement (10b) gekoppelt sind, wobei die Antriebselemente eingerichtet sind, einen Rotationsresonanzantrieb der Resonatorelemente (10a, 10b) um die zweite Rotationsachse (B) bzw. um die dritte Rotationsachse (C) zu ermöglichen.
Struktur nach Anspruch 8, wobei die Antriebselemente (17) Antriebselektroden umfassen, die auf dem Substrat (20) ausgebildet und unterhalb des ersten und zweiten Resonanzelements (10a, 10b) angeordnet und kapazitiv mit diesen gekoppelt sind; und wobei erste elektrische Leiterbahnen (34), die auf dem Substrat (20) ausgebildet sind, eingerichtet sind, die Antriebselektroden (17) zu kontaktieren, wobei die ersten elektrischen Leiterbahnen (34) nicht unterhalb der trägen Masse (2) angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 9, wobei das erste und das zweite Resonatorelement (10a, 10b) in einem zweiten Fenster (12) bzw. einem dritten Fenster (13) angeordnet sind, die durch die träge Masse (2) ausgebildet und der Außenseite der trägen Masse (2) zugewandt sind, und wobei die Antriebselektroden (17) und/oder wenigstens ein Bereich der ersten elektrischen Leiterbahnen (34) an einer Position angeordnet sind, die dem zweiten bzw. dem dritten Fenster (12, 13) entsprechen.
Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, die zusätzlich Detektionselektroden (18) aufweist, die auf dem Substrat (20) ausgebildet sind, und unterhalb des ersten und des zweiten Resonatorelements (10a, 10b) angeordnet und kapazitiv mit diesen gekoppelt sind; wobei die Detektionselektroden (18) eingerichtet sind, die Detektion einer Veränderung einer Resonanzfrequenz des ersten und des zweiten Resonatorelements (10a, 10b) als eine Folge der Trägheitsbewegung der trägen Masse (2) um die erste Rotationsachse (A) zu ermöglichen.
Struktur nach Anspruch 11, die zusätzlich zweite elektrische Leiterbahnen (25) aufweist, die auf dem Substrat (20) ausgebildet und eingerichtet sind, die Detektionselektroden (18) zu kontaktieren; wobei die zweiten elektrischen Leiterbahnen (35) in Bezug auf die erste Rotationsachse (A) symmetrisch angeordnet sind.
Resonanzbeschleunigungsmesser (24) mit einer Detektionsstruktur (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eingerichtet ist, eine Komponente einer äußeren Linearbeschleunigung (a_z) zu erkennen, die entlang der vertikalen Achse (z) ausgerichtet ist.
Beschleunigungsmesser nach Anspruch 13, der zusätzlich eine Lese- und Antriebsschaltung (22) umfasst, die elektrisch mit der Detektionsstruktur (1) gekoppelt ist.
Elektronische Vorrichtung (26) mit einem Resonanzbeschleunigungsmesser (24) nach Anspruch 13 und einer Steuereinheit (28), die elektrisch mit der Lese- und Antriebsschaltung (22) gekoppelt ist.