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VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität an dem US-Patent Nr. 14/505,928, die am 3. Oktober 2014 eingereicht wurde, mit dem Titel „MEMS Accelerometer with 7 Axis Anchor Tracking”, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein einen MEMS-Beschleunigungsmesser mit Verfolgungsankern, die auf Verformungen in dem Substrat reagieren. Insbesondere üben Verfolgungsanker eine Kraft auf Torsionsfedern aus, die mit einer Prüfmasse gekoppelt sind, so dass der Auswirkung der Verformungen entgegengewirkt wird.
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HINTERGRUND
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Ein Beschleunigungsmesser ist eine Art eines Wandlers, der Beschleunigungskräfte in elektronische Signale umwandelt. Beschleunigungsmesser werden in einer breiten Vielfalt von Vorrichtungen und für eine breite Vielfalt von Anwendungen verwendet. Zum Beispiel sind Beschleunigungsmesser oft in verschiedenen Kraftfahrzeugsystemen enthalten, wie etwa zur Airbagauslösung und zur Überrolldetektion. Beschleunigungsmesser sind oft auch in vielen Computervorrichtungen enthalten, wie etwa zur bewegungsbasierten Erfassung (z. B. Sturzerkennung) und zur Steuerung (z. B. bewegungsbasierte Steuerung für Gaming).
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Mikroelektromechanische Systeme („MEMS”, auch als „MEMS-Vorrichtungen” bezeichnet) sind eine spezielle Art eines integrierten Schaltkreises, die in einer wachsenden Zahl von Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel werden MEMS momentan als Gyroskope implementiert, um Nickwinkel von Flugzeugen zu detektieren, und als Beschleunigungsmesser, um Airbags in Kraftfahrzeugen selektiv auszulösen. Vereinfacht dargestellt, weisen solche MEMS-Vorrichtungen typischerweise eine bewegliche Struktur, die oberhalb eines Substrats aufgehängt ist, und eine zugeordnete Schaltungsanordnung auf, die sowohl eine Bewegung der aufgehängten Struktur erfasst als auch die erfassten Bewegungsdaten an eine oder mehrere externe Vorrichtungen (z. B. einen externen Computer) liefert. Die externe Vorrichtung verarbeitet die erfassten Daten, um die Eigenschaft zu berechnen, die gemessen wird (z. B. einen Nickwinkel oder eine Beschleunigung).
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Allgemein betrachtet, beinhaltet ein MEMS-Beschleunigungsmesser (MEMS: Micro Electro Mechanical System) typischerweise unter anderem eine Prüfmasse und einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen einer Bewegung oder von Änderungen einer Position der Prüfmasse, die durch externe Beschleunigungen bewirkt wird bzw. werden. Beschleunigungsmesser können dazu konfiguriert sein, eine, zwei, drei oder sogar mehr Beschleunigungsachsen zu erfassen. Typischerweise ist die Prüfmasse in einer vorbestimmten Vorrichtungsebene konfiguriert und werden die Erfassungsachsen allgemein mit Bezug auf diese Vorrichtungsebene bezeichnet. Zum Beispiel werden Beschleunigungen, die entlang einer Achse parallel zu der Vorrichtungsebene erfasst werden, typischerweise als X- oder Y-Achsen-Beschleunigungen bezeichnet, während Beschleunigungen, die entlang einer Achse senkrecht zu der Vorrichtungsebene erfasst werden, typischerweise als Z-Achsen-Beschleunigungen bezeichnet werden. Ein einachsiger Beschleunigungsmesser könnte dazu konfiguriert sein, nur die X- oder Y-Achsen-Beschleunigungen oder nur die Z-Achsen-Beschleunigungen zu detektieren. Ein zweiachsiger Beschleunigungsmesser könnte dazu konfiguriert sein, X- und Y-Achsen-Beschleunigungen zu detektieren, oder könnte dazu konfiguriert sein, X- und Z-Achsen-Beschleunigungen zu detektieren. Ein dreiachsiger Beschleunigungsmesser könnte dazu konfiguriert sein, X-, Y- und Z-Achsen-Beschleunigungen zu detektieren.
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Eine Kategorie eines Z-Achsen-Beschleunigungsmessers verwendet eine Prüfmasse, die in einer „Wippen”-Konfiguration konfiguriert ist, wobei die Prüfmasse so von einem Substrat gestützt wird, dass sich die Prüfmasse relativ zu dem Substrat unter einer Z-Achsen-Beschleunigung dreht. Unterhalb (z. B. auf dem darunterliegenden Substrat) oder sowohl oberhalb als auch unterhalb der Prüfmasse platzierte Erfassungselektroden, die in vielen Arten von Beschleunigungsmessern kapazitiv mit der Prüfmasse gekoppelt sind, werden verwendet, um eine solche Drehung der Prüfmasse zu erfassen und um somit eine Z-Achsen-Beschleunigung zu erfassen. Andere elektrische Komponenten, wie etwa Rückkopplungselektroden, können ebenfalls unterhalb und/oder oberhalb der Prüfmasse enthalten sein.
US-Patent Nr. 7610809 und US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2013/0333471 stellen Beispiele für differentielle Wippentyp-Z-Achsen-Beschleunigungsmesser mit Elektroden sowohl oberhalb als auch unterhalb der Prüfmasse bereit.
US-Patent Nr. 6841992 und
US-Patent Nr. 5719336 stellen andere Beispiele für solche Wippentyp-Beschleunigungsmesser bereit.
US-Patent Nr. 8146425 beschreibt einen MEMS-Sensor mit einem beweglichen Z-Achsen-Erfassungselement. Jede dieser Referenzen ist hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
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KURZDARSTELLUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Lösung beinhaltet ein MEMS-Beschleunigungsmesser einen Vorrichtungswafer mit einer Wippenprüfmasse und mehreren Verfolgungsankerpunkten, die an einem Substrat angebracht sind. Jeder Ankerpunkt ist dazu konfiguriert, als Reaktion auf eine Verformung des Substrats ausgelenkt zu werden und mechanische Kräfte, die als Reaktion auf die Auslenkung erzeugt werden, zu übertragen, so dass die Prüfmasse in eine Richtung der Verformung geneigt wird.
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Bei manchen Ausführungsformen liegt das Verhältnis der Neigung der Prüfmasse und der Auslenkung des wenigstens einen Verfolgungsankers zwischen etwa 0,5 und etwa 0,603. Bei anderen Ausführungsformen liegt das Verhältnis zwischen etwa 0,4784 und etwa 0,5. Bei manchen Ausführungsformen beträgt das Verhältnis etwa 0,5.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der MEMS-Beschleunigungsmesser auch einen T-förmigen Balken, einen Rahmen und Torsionsfedern umfassen. Der wenigstens eine Verfolgungsanker kann mechanische Kräfte, die als Reaktion auf die Auslenkung erzeugt werden, an den T-förmigen Balken übertragen. Der T-förmige Balken kann die mechanischen Kräfte, die er empfängt, an den Rahmen übertragen. Der Rahmen kann die mechanischen Kräfte, die er empfängt, an die Torsionsfedern übertragen. Ferner können die Torsionsfedern ein Drehmoment auf einen Anker der Prüfmasse ausüben, so dass die Prüfmasse in eine Richtung der Verformung geneigt wird.
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Bei manchen Ausführungsformen kann der MEMS-Beschleunigungsmesser mehrere Balken beinhalten und jeder Balken kann einen einzigartigen Verfolgungsanker mit dem Rahmen verbinden. Ferner kann jeder Verfolgungsanker mechanische Kräfte, die als Reaktion auf die Auslenkung erzeugt werden, an seinen jeweiligen Balken übertragen. Jeder Balken kann die mechanischen Kräfte, die er empfängt, an den Rahmen übertragen. Der Rahmen kann die mechanischen Kräfte, die er empfängt, an die Torsionsfedern übertragen und die Torsionsfedern können ein Drehmoment auf einen Anker der Prüfmasse ausüben, so dass die Prüfmasse in eine Richtung der Verformung geneigt wird.
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Zudem kann die Prüfmasse eine Wippenprüfmasse oder eine Neigungsmodusprüfmasse sein.
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Zusätzliche Ausführungsformen können offenbart und beansprucht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Das Vorausgehende und die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden weiteren Beschreibung davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen umfassender verständlich, in denen gilt:
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1A stellt einen Z-Achsen-Beschleunigungsmesser in einem Normalbetrieb schematisch dar;
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1B schematisch, wie eine asymmetrische Verformung des Substrats eines Z-Achsen-Beschleunigungsmessers einen Null-g-Biasversatz produziert;
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2 stellt Korrekturen schematisch dar, die die vorliegende Lösung bezüglich der Prüfmasse anwendet, um den in 1B gezeigten Null-g-Biasversatz abzuschwächen;
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3 stellt einen beispielhaften Beschleunigungssmesser mit Z-Achsen-Verfolgungsankern dar, die die Auswirkung einer asymmetrischen Verformung eines Substrats reduzieren;
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4 stellt eine perspektivische Ansicht des Beschleunigungsmessers aus 3 dar, wenn er auf eine Substratverformung reagiert;
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5 stellt eine schematische Ansicht von Verfolgungsankern dar, die auf dem Beschleunigungsmesser positioniert worden sind, um Verformungen des Substrats abzuschätzen;
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6 stellt die Auslenkungen der Verfolgungsanker und der Prüfmasse eines Beschleunigungsmessers grafisch dar; und
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7 stellt einen anderen beispielhaften Beschleunigungsmesser dar, der die Auswirkung einer asymmetrischen Verformung eines Substrats reduziert.
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Es wird angemerkt, dass die vorangehenden Figuren und die darin dargestellten Elemente nicht notwendigerweise gemäß einem einheitlichen Maßstab oder irgendeinem Maßstab gezeichnet sind. Gleiche Elemente werden durch gleiche Ziffern angegeben, außer der Zusammenhang gibt etwas Anderes an.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG SPEZIELLER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Definitionen. Wie in dieser Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet, sollen die folgenden Ausdrücke die angegebenen Bedeutungen aufweisen, außer der Zusammenhang erfordert etwas Anderes:
Der Begriff „Null-g-Biasversatz” bedeutet, dass ein Beschleunigungsmesser ein Beschleunigungssignal ungleich null ausgibt, wenn keine externe Beschleunigung vorliegt und der Beschleunigungsmesser ein Beschleunigungssignal gleich null ausgeben sollte. In dem Zusammenhang dieser Patentanmeldung kann ein Null-g-Bias durch eine Verformung des Substrats, das den Beschleunigungsmesser stützt, einschließlich einer asymmetrischen Verformung, verursacht werden.
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Bei verschiedenen Szenarien können die Substrate von MEMS-Beschleunigungsmessern verformt werden, wenn die Beschleunigungsmesser verwendet werden. Zum Beispiel kann ein bestimmter Teil des Substrats eine interne thermisch-mechanische Spannung erfahren oder eine Einwirkung einer externen Kraft, wie etwa eines Rucks oder einer Biegekraft, absorbieren. Wenn sich das Substrat in einer heterogenen Art (z. B. asymmetrisch) verformt, kann die Verformung den nominalen Abstand (und damit auch die Kapazität) zwischen einer Prüfmasse und einer oder mehreren Positionserfassungselektroden ändern und folglich einen Fehler in die Messungen des Beschleunigungsmessers (hier als „Null-g-Biasversatz” bezeichnet) einführen. Zum Beispiel kann, selbst wenn keine externe Beschleunigung vorliegt, der Beschleunigungsmesser ein Beschleunigungssignal ungleich null basierend auf dieser Änderung des/der nominalen Abstands/Kapazität, die durch die asymmetrische Verformung verursacht wird, ausgeben.
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Bestimmte Ausführungsbeispiele sind hier unter Bezugnahme auf einen „Wippen”-Typ-Beschleunigungsmesser, der eine differentielle Kapazitätsmessung verwendet, beschrieben, obwohl andere Arten von Beschleunigungsmessern verwendet werden können. Im Normalbetrieb bestimmt ein Wippentyp-Beschleunigungsmesser eine Z-Achsen-Beschleunigung basierend auf den Änderungen einer Kapazität zwischen der Prüfmasse und den differentiellen Erfassungselektroden, die oberhalb und/oder unterhalb der Prüfmasse positioniert sind. Zum Beispiel verwendet ein Wippentyp-Beschleunigungsmesser, der in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US2013/0333471 beschrieben ist, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist, sowohl einen Satz differentieller Erfassungselektroden unter einer Wippenprüfmasse als auch einen Satz differentieller Erfassungselektroden oberhalb der Wippenprüfmasse. Wenn das Substrat keine Verformung erfährt und keine externe Z-Achsen-Beschleunigung vorliegt, sind die Abstände zwischen der Prüfmasse und jeder der darunterliegenden differentiellen Erfassungselektroden nominell gleich und daher sind die Kapazitäten zwischen der Prüfmasse und jeder der darunterliegenden Erfassungselektroden gleich. Gleichermaßen sind die Abstände zwischen der Prüfmasse und jeder der darüberliegenden differentiellen Erfassungselektroden gleich und daher sind die Kapazitäten zwischen der Prüfmasse und jeder dieser darüberliegenden differentiellen Erfassungselektroden gleich. Da die Kapazitäten von jedem Satz von differentiellen Erfassungselektroden gleich sind, heben sie einander auf und gibt der Beschleunigungsmesser daher ein Beschleunigungssignal von null aus (d. h., es ist kein Null-g-Bias vorhanden).
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Allgemein betrachtet, erfahren, falls das Substrat eine symmetrische Verformung erfährt, die Kapazitäten zwischen der Prüfmasse und jeder Erfassungselektrode den gleichen Betrag einer Änderung. Auf diese Weise wird ein beliebiger Null-g-Biasversatz, der durch die Verformung bewirkt wird, aufgehoben. In dem Fall einer asymmetrischen Verformung jedoch zeigen die Kondensatoren unterschiedliche Änderungen. Insbesondere erschafft eine Neigung auf einer Seite der Prüfmasse den gleichen Betrag einer Neigung auf der anderen Seite. Weil die differentiellen Erfassungskapazitäten auf gegenüberliegenden Seiten der Prüfmasse dementsprechend unterschiedliche Beträge einer Änderung erfahren, wird ein Null-g-Bias in Messungen des Beschleunigungsmessers vorhanden sein. Jedoch kann Steuern des Betrags der Neigung durch die Prüfmasse sicherstellen, dass die differentiellen Erfassungskapazitäten auf gegenüberliegenden Seiten der Prüfmasse den gleichen Betrag einer Änderung aufweisen, um den Null-g-Biasversatz zu beheben (z. B. zu reduzieren oder aufzuheben).
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1 stellt die Auswirkung einer asymmetrischen Verformung auf das Substrat 105 eines beispielhaften Wippentyp-Beschleunigungsmessers 100 dar, wobei 1A eine Querschnittsseitenansicht des Beschleunigungsmessers 100 ohne Oberflächenauslenkung ist und 1B eine Querschnittsseitenansicht des Beschleunigungsmessers 100 mit einer Oberflächenauslenkung ist. Der Beschleunigungsmesser 100 beinhaltet eine Prüfmasse 110, die durch ein Substrat 105 durch einen Anker 114 gestützt wird. Der Anker 114 ist mit wenigstens einer (durch den mit 111 beschrifteten Kreis repräsentierten) Torsionsfeder verbunden, die wiederum mit der Prüfmasse 110 verbunden ist. Differentielle Erfassungselektroden 101 und 102 auf dem Substrat bilden mit der Prüfmasse 110 parallele Plattenkondensatoren C1 und C2. Eine (nicht gezeigte) Differentialschaltungsanordnung produziert ein Beschleunigungsausgabesignal basierend auf den Werten dieser parallelen Plattenkondensatoren (d. h., Ausgabe = C1 – C2).
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Wenn das Substrat 105 nicht verformt wurde und keine externe Z-Achsen-Beschleunigung vorliegt, wie in 1A dargestellt, liegen die obere Oberfläche des Substrats 105 (als 103 beschriftet) und die Prüfmasse 110 parallel zueinander. In dieser nominalen Position sind die Erfassungselektroden 101 und 102 äquidistant zu der Prüfmasse 110 und daher ist die Kapazität C1 zwischen der Prüfmasse 110 und der Erfassungselektrode 101 gleich der Kapazität C2 zwischen der Prüfmasse 110 und der Erfassungselektrode 102. Dementsprechend gilt im ungestörten Zustand: C1 = C2.
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Die Ausgabe des Beschleunigungsmessers ist null: Ausgabe = C1 – C2 = 0.
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Der Beschleunigungsmesser 100 ist so konfiguriert, dass, wenn eine externe Beschleunigung auf den Beschleunigungsmesser 100 in der Z-Achsen-Richtung wirkt, die Prüfmasse 110 um die Torsionsfedern 111 „wippt”, so dass der Abstand zwischen der Prüfmasse 110 und der Erfassungselektrode 101 unterschiedlich von dem Abstand zwischen der Prüfmasse 110 und der Erfassungselektrode 102 ist, wodurch die Kapazitäten C1 und C2 geändert werden. Diese Änderungen der Kapazität werden durch die Differentialschaltungsanordnung zum Ausgeben eines Beschleunigungssignals verarbeitet: Ausgabe = C1 – C2 ≠ 0.
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Wenn sich das Substrat 105 asymmetrisch verformt, wie in 1B veranschaulicht und durch die Referenzziffer 103 repräsentiert, bewirkt die Störung, dass der Abstand zwischen dem Substrat 105 und der Prüfmasse 110 an verschiedenen Positionen in dem Beschleunigungsmesser 100 variiert. Dies bewirkt, dass der nominale Abstand zwischen der Prüfmasse 110 und der Erfassungselektrode 101 unterschiedlich von dem nominalen Abstand zwischen der Prüfmasse 110 und der Erfassungselektrode 102 ist. Da eine Kapazität mit dem Abstand zwischen den Platten zusammenhängt, sind die Kapazitäten zwischen der Prüfmasse 110 und jeder der Erfassungselektroden 101 und 102 unterschiedlich. Im Vergleich zu den nominalen Werten von C1 und C2, die oben unter Bezugnahme auf 1A besprochen sind, ist die Kapazität zwischen der Prüfmasse 110 und der Erfassungselektrode 101 (C1 + dC1) und ist die Kapazität zwischen der Prüfmasse 110 und der Erfassungselektrode 102 (C2 + dC2), wobei dC1 und dC2 typischerweise ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen (d. h., eine ist positiv und die andere ist negativ) und verschiedene Beträge aufweisen können (d. h., |dC1| ≠ |dC2|). Zudem werden die Änderungen der Kapazität unterschiedliche Beträge aufweisen, wodurch die Gesamtkapazität zwischen dem Substrat 105 und der Prüfmasse 110 geändert wird: ΔC = (C1 + dC1) – (C2 + dC2)
= dC1 – dC2
≠ 0
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Als Ergebnis erlangt der Beschleunigungsmesser einen Null-g-Biasversatz. Wie in 1B dargestellt, neigt sich zudem die Prüfmasse 110, wenn sich das Substrat verformt. Trotzdem zeigt der Beschleunigungsmesser 100 immer noch den Null-g-Biasversatz, da die asymmetrische Verformung bewirkt, dass sich die differentielle Kapazität nichtgleichmäßig über das Substrat ändert.
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Die vorliegende Lösung schwächt die Auswirkung der asymmetrischen Verformung durch Neigen der Prüfmasse 110 ab, so dass diese der Substratverformung folgt. Die Lösung steuert den Betrag der Neigung, so dass sich die differentiellen Kapazitäten auf gegenüberliegenden Seiten der Prüfmasse um den gleichen Betrag ändern, d. h., dC1 = dC2. Als Ergebnis gilt ΔC = 0.
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2 vergleicht Beschleunigungsmesser, in denen die Prüfmasse 110 der Verformung folgt und nicht folgt. Wenn dem Beschleunigungsmesser die vorliegende Lösung fehlt und das Substrat 105 asymmetrisch verformt wird, kann sich die Prüfmasse 110 zu Position 115 neigen. Als Ergebnis ändert sich die differentielle Kapazität in einem Gebiet, C2, um einen unterschiedlichen Betrag als die differentielle Kapazität in einem anderen Gebiet, C1. Da C1 + dC1 ≠ C2 + dC2 gilt, erfährt der Beschleunigungsmesser 100 einen Null-g-Biasversatz.
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Wenn der Beschleunigungsmesser 100 die vorliegende Lösung aufweist, neigt sich die Prüfmasse 110 zu Position 120. Da die Prüfmasse 110 einen parallelen Plattenkondensator mit dem Substrat 105 genauer bildet, ist die Kapazität zwischen den beiden gleichmäßiger über ihre jeweiligen Oberflächen. Anders ausgedrückt, schwächt der Beschleunigungsmesser 100 mit der vorliegenden Lösung die Auswirkung einer asymmetrischen Verformung des Substrats ab, so dass die resultierenden Änderungen der Kapazität in der Vorrichtung gleichmäßiger erfahren werden: (C1 + dC1) ~ (C2 + dC2)
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Als Ergebnis ist der Null-g-Biasversatz vermindert.
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3 stellt einen Beschleunigungsmesser 100 dar, der die Auswirkung einer asymmetrischen Verformung eines Substrats reduziert. Bei dieser Ausführungsform beinhaltet der Beschleunigungsmesser 100 vier Verfolgungsanker 305a, 305b, 305c, 305d (gemeinsam „305”). Zwei der Verfolgungsanker 305a und 305b sind mit einem T-förmigen Balken 310a verbunden, die anderen zwei Verfolgungsanker 305c und 305d sind mit dem anderen T-förmigen Balken 310b verbunden. Beide T-förmige Balken 310a, 310b (gemeinsam „310”) sind mit einem Rahmen 315 verbunden. Dieser Rahmen 315 ist wiederrum mit Torsionsfedern 320a, 320b (gemeinsam „320”) verbunden, die mit der Prüfmasse 110 und ihrem Anker 111 verbunden sind. Da diese Elemente lediglich Balken und Pfosten sind, die aus derselben Materialschicht wie die Prüfmasse 110 gebildet sind und an den Verfolgungsankern 305 mit dem Substrat 105 verankert sind, werden sie einfach in die Beschleunigungsmessergestaltung und den Fertigungsprozessfluss aufgenommen. Dementsprechend erfordern Ausführungsformen der vorliegenden Lösung wenig, wenn überhaupt, zusätzlichen Platz auf dem Die.
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Im Betrieb werden, wenn das Substrat 105 eine asymmetrische Verformung erfährt, mechanische Kräfte, die durch das Auslenken des/der Verfolgungsanker/s 305 erzeugt werden, durch Komponenten des Beschleunigungsmessers 100 propagiert, bis die Kräfte die Prüfmasse 110 so neigen, dass sie der Richtung der Verformung folgt. Insbesondere, wenn der/die Verfolgungsanker 305 als Reaktion auf die Verformung ausgelenkt wird/werden, überträgt/übertragen der/die Verfolgungsanker 305 mechanische Kräfte an den T-förmigen Balken 310, mit dem er/sie verbunden ist/sind. Der T-förmige Balken 310 wiederum propagiert die Kräfte, die er empfängt, zu dem Rahmen 315. Der Rahmen 315 übt die Kräfte auf die Torsionsfedern 320 aus, die ein Drehmoment auf die Prüfmasse 110 ausüben. Als Ergebnis neigt sich die Prüfmasse 110, so dass sie der Verformung des Substrats 105 folgt.
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4 stellt eine perspektivische Ansicht des Beschleunigungsmessers aus 3 dar, wenn er auf eine Substratverformung reagiert. Die Figur beinhaltet eine Repräsentation 410 der Verformung des Substrats, in der eine Farbe und/oder Abstufung dem Betrag einer Auslenkung bei einer bestimmten Stelle entspricht. Bei dieser Ausführungsform erfahren Teile des Substrats nahe den Verfolgungsankern 305c und 305d stärkere Verformungen als die Teile nahe den Verfolgungsankern 305a und 305b. Wie in 4 dargestellt, wird als Ergebnis der T-förmige Balken 310b stärker ausgelenkt als der T-förmige Balken 310a. Trotzdem übertragen beide T-förmige Balken 310 mechanische Kräfte, die durch ihre jeweiligen Auslenkungen erzeugt werden, so dass der Rahmen 315 gedreht wird. Als Reaktion überträgt der gedrehte Rahmen 315 mechanische Kräfte an die Torsionsfedern 320, die mit dem Anker der Prüfmasse 110 gekoppelt sind, und üben die Federn 320 ein Drehmoment auf den Anker aus, so dass die Prüfmasse 110 entsprechend geneigt wird.
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Die Positionen der Verfolgungsanker 305 auf dem Substrat 105 sind ein signifikantes Merkmal der Lösung. Insbesondere sollten die Anker 305 so positioniert sein, dass die Verfolgungsanker 305 bei einer Auslenkung mechanische Kräfte auf die T-förmigen Balken 310 ausüben, die Verformungen über das gesamte Substrat repräsentieren. 5 stellt eine schematische Ansicht von Verfolgungsankern dar, die auf diese Weise auf dem Substrat positioniert worden sind. Bei dieser repräsentativen Ausführungsform wurde jeder Verfolgungsanker 305 in dem gleichen Abstand, x0, von einer zentralen Achse des Beschleunigungsmessers platziert. Zudem sind die Verfolgungsanker 305 symmetrisch über diese zentrale Achse positioniert.
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Die Positionen, x0, können basierend auf der erwarteten, oder erwünschten, Kapazität zwischen der Prüfmasse
110 und dem Substrat
105 bestimmt werden. Die folgende beispielhafte Formel berücksichtigt Substratverformungen entlang der z-Achse, wenn diese Kapazität modelliert wird:
wobei Rsub der Krümmungsradius des Substrats ist.
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In dieser Formel ermöglicht der Term mit „x0” der Formel, Substratverformungen in der z-Achse zu berücksichtigen. Wenn dieses Integral mit der erwarteten, oder erwünschten, Kapazität (z. B. dem Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung) gleichgesetzt und für x0 gelöst wird, wird der Wert von x0 zu:
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Besonders um den Null-g-Biasversatz abzuschwächen, wird die Prüfmasse 110 nicht zu demselben Grad oder Betrag ausgelenkt wie die Verfolgungsanker 305. Obwohl die vorliegende Lösung die Prüfmasse 110 so neigt, dass sie der Substratverformung folgt, repliziert die Lösung nicht das Ausmaß der Substratverformung in der Prüfmasse 110. Tatsächlich muss die Prüfmasse 110 nur um einen Prozentsatz der Verschiebung der Verfolgungsanker 305 geneigt werden, um den Versatz geeignet abzuschwächen.
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Bei manchen Ausführungsformen muss die Prüfmasse 110 nur 50% der Verschiebung der Verfolgungsanker 305 aufweisen, um sicherzustellen, dass sich die differentielle Kapazität gleichmäßig über das Substrat ändert. Falls eine Prüfmasse 110 ein solches Verhalten zeigt, dann gilt, wie unten demonstriert: C1 = C0 + dC1 – 0,5·dC1 C2 = C0 + 0,5·dC1
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Als ein Ergebnis ist der Versatz C1 – C2 = dC1 – 0,5·dC1 – 0,5·dC1 = 0.
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Im Gegensatz dazu versagt die Vorrichtung dabei, den Biasversatz geeignet zu behandeln, falls die Prüfmasse 110 die gesamte Verschiebung der Verfolgungsanker 305 repliziert. Wenn das Substrat sich asymmetrisch verformt, ändern sich die differentiellen Kapazitäten um die Prüfmasse 110 auf die folgende Weise: C1 = C0 + dC1 C2 = C0
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Folglich ist der Versatz C1 – C2 = dC1.
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Falls sich die Prüfmasse 110 auf eine Art neigt, die die Substratverformung bei der Stelle des Verfolgungsankers 305 repliziert, würde eine solche Auslenkung 100% der Änderung der differentiellen Kapazität C1 auf einer Seite der Prüfmasse 110 korrigieren. Da sich die Prüfmasse 110 neigt, wird sich die differentielle Kapazität C2 auf der anderen Seite auch um den gleichen Betrag dC1 ändern, aber mit entgegengesetzter Polung: C1 = C0 + dC1 – dC1 C2 = C0 + dC1
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Folglich ist der Versatz C1 – C2 = –dC1. In dieser Situation würde der Beschleunigungsmesser 100 immer noch einen Null-g-Biasversatz erfahren.
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Bei manchen Ausführungsformen kann das Verhältnis der Bewegung der Prüfmasse
110 zu der Bewegung der Verfolgungsanker
305 durch Lösen der folgenden Gleichung erhalten werden:
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Bei einem Implementierungsbeispiel der vorliegenden Lösung betrug das Verhältnis etwa 0,603. Bei einem anderen Implementierungsbeispiel, für das die Ergebnisse in 6 grafisch dargestellt sind, betrug das Verhältnis etwa 0,4784. In dieser Figur ist eine Prüfmasse 110 mit einem Anker 605 gekoppelt, während die Verfolgungsanker 305a, 305b an einem Substrat angebracht sind. Bei dieser bestimmten Ausführungsform hat eine asymmetrische Substratverformung bewirkt, dass der Verfolgungsanker 305b um 0,1019 μm ausgelenkt wird. Anstatt auch um 0,1019 μm ausgelenkt zu werden, wurde die Prüfmasse 110 um 0,048751 μm ausgelenkt. Dementsprechend beträgt das Verhältnis der Bewegung der Prüfmasse 110 zu der Bewegung des Substrats 0,048751 μm/0,1019 μm oder etwa 0,4784.
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7 stellt einen anderen beispielhaften Beschleunigungsmesser 700 dar, der die Auswirkung einer asymmetrischen Verformung eines Substrats reduziert. Bei dieser Ausführungsform sind die Verfolgungsanker 305 jeweils direkt durch ihre jeweiligen Balken 725 mit dem Rahmen verbunden. Auf diese Weise überträgt jeder Verfolgungsanker 305 die mechanische Kraft, die durch seine Auslenkung erzeugt wird, an den Rahmen, der die Kraft zu der Prüfmasse 110 propagiert. Dementsprechend neigt sich die Prüfmasse 110 in die Richtung der Balken 725, so dass die Änderungen einer differentiellen Kapazität zwischen der Prüfmasse 110 und den Erfassungselektroden ausgeglichen wird. Wie bei den hier beschriebenen Beschleunigungsmessern, stellt diese Ausführungsform eine Lösung mit einem mäßigen Beitrag zu der Grundfläche des Dies bereit.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen kann dementsprechend eine On-Chip- oder Off-Chip-Schaltungsanordnung den genauen Betrag einer durch den Beschleunigungsmesser erfassten Beschleunigung basierend auf diesen sich ändernden Kapazitätssignalen bestimmen. Zum Beispiel kann die Off-Chip-Schaltungsanordnung einen anderen Die beinhalten, der als ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC: Application Specific Integrated Circuit) implementiert ist, der sich innerhalb des gleichen Gehäuses wie der Beschleunigungsmesser oder in einem anderen Gehäuse befindet. Manche Ausführungsformen können den Beschleunigungsmesser-Die und den ASIC-Die auf eine Weise kombinieren, bei der der ASIC-Die eine Kappe auf dem Beschleunigungsmesser-Die bildet. Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Off-Chip-Schaltungsanordnung diskrete Elemente und/oder mehrere Schaltungsanordnungschips beinhalten.
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Wie angemerkt, weist der Beschleunigungsmesser typischerweise einige Einrichtungen zum Schutz seiner bruchgefährdeten Mikrostruktur auf. Wie angemerkt, kann der Beschleunigungsmesser dementsprechend innerhalb eines herkömmlichen Halbleitergehäuses, wie etwa eines Keramikhohlraumgehäuses, eines vorgegossenen Leiterrahmengehäuses, eines Trägergehäuses oder einer anderen Vorrichtung auf Gehäuseebene, positioniert werden. Das Gehäuse ist bei verschiedenen Ausführungsformen vorzugsweise hermetisch versiegelt und enthält ein Puffer- und/oder Oxidationsabschwächungsgas, um die Mikrostruktur weiter zu schützen.
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Andere Ausführungsformen verkappen den Die einfach mit entweder einem Schaltkreis-Die (z. B. dem oben angemerkten ASIC-Die) oder einer inaktiven Kappe. Beide Arten von Verpackungsverfahren (d. h., unter anderem Gehäuse auf Gehäuseebene oder Gehäuse auf Die-Ebene) beinhalten dementsprechend auch Zwischenverbindungsanschlussleitungen oder -pads, so dass der Beschleunigungsmesser mit Vorrichtungen kommunizieren kann, die extern zu dem Gehäuse sind. Zum Beispiel kann das Gehäuse an einer Leiterplatte montiert sein (z. B. oberflächenmontiert, durchsteckmontiert oder mit einer anderen Art von Verbindung), die sich innerhalb eines größeren Systems befinden kann, wie etwa eines Kraftfahrzeugairbagsteuersystems oder Mobiltelefonen.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen hinsichtlich Wippenbeschleunigungsmessern beschrieben sind, sind die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf diese Arten beschränkt. Die Ausführungsformen können Neigungsmodusbeschleunigungsmesser oder eine beliebige andere Art von Beschleunigungsmesser enthalten, wie ein Durchschnittsfachmann verstehen würde.
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Die vorliegende Erfindung kann in anderen speziellen Formen umgesetzt werden, ohne von dem wahren Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, und zahlreiche Variationen und Modifikationen werden für einen Fachmann basierend auf den vorliegenden Lehren ersichtlich. Beliebige Bezugnahmen auf die „Erfindung” sollen auf Ausführungsbeispiele der Erfindung verweisen und sollen nicht derart ausgelegt werden, dass sie auf alle Ausführungsformen der Erfindung verweisen, außer der Zusammenhang erfordert anderes. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen in allen Aspekten nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend verstanden werden.
