DE19719779A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Beschleunigungssensor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Beschleunigungssensoren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese weisen eine an einem Substrat beweg­ lich aufgehängte Schwingstruktur als seismische Masse auf. Infolge einer einwirkenden Beschleunigung wird diese seismische Masse ausgelenkt und verändert ihre relative Position zu dem Substrat. Der seismischen Masse sind Auswertemittel zugeordnet, die den Grad der beschleunigungsbedingten Auslenkung erfassen. Als Auswertemittel sind beispielsweise piezoresistive, kapazitive oder frequenzanaloge Auswerteanordnungen bekannt. Bei den kapazitiven Auswertemitteln ist die seismische Masse mit einer Kammstruktur versehen, die mit einer feststehenden, das heißt mit dem Substrat verbundenen Kammstruktur zusammenwirkt. Zwischen den einzelnen Stegen der Kammstrukturen kommt es zur Aus­ bildung von Kapazitäten, deren Größen sich mit einer Auslenkung der seismischen Masse verändern. Über Aus­ werteschaltungen können diese Kapazitätsänderungen erfaßt werden und so eine an dem Beschleunigungssen­ sor einwirkende Beschleunigung detektiert werden.

Bei den bekannten Beschleunigungssensoren ist nach­ teilig, daß sich in dem Substrat oder den Sensor­ strukturen Längenschwankungen, die beispielsweise temperaturabhängig oder von mechanischen Spannungen abhängig sind, auftreten können. Diese rufen gering­ fügige Veränderungen der Positionen der an dem Sub­ strat aufgehängten seismischen Masse oder der Auswer­ temittel hervor, die daraufhin eine Signaländerung bewirken. Diese Signaländerungen führen zu einer fehlerhaften Detektion einer angreifenden Beschleuni­ gung beziehungsweise überlagern ein einer angreifen­ den Beschleunigung proportionales Signal der Auswer­ temittel mit einem Offsetfehler.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß eine Kompensation von im Substrat oder den Sensorstrukturen auftretenden, temperaturab­ hängige oder von mechanischen Spannungen abhängige Schwankungen erfolgen kann. Dadurch, daß die Schwing­ struktur und/oder die Auswertemittel über mechanische Entkopplungseinrichtungen mit dem Substrat verbunden sind, ist es vorteilhaft möglich, jegliche durch Druck und/oder Zugspannungen sowie Temperaturschwan­ kungen hervorgerufene Materialeffekte im Substrat oder den Sensorstrukturen auszugleichen, so daß diese keinen Einfluß auf den Beschleunigungssensor, insbe­ sondere auf dessen Empfindlichkeit, ausüben. Darüber hinaus können mit den mechanischen Entkopplungsein­ richtungen Materialunterschiede zwischen dem Substrat und dem Sensor, beispielsweise bei mittels additiver Verfahren der Oberflächenmikromechanik auf einen Wafer aufgebrachten Beschleunigungssensoren, ausge­ glichen werden. So kann ein unterschiedliches Temperaturausdehnungsverhalten von beispielsweise Silizium und metallischen Werkstoffen, wie bei eini­ gen Additivtechniken eingesetzt, kompensiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk­ malen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungs­ sensor nach einer ersten Ausführungs­ variante;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungs­ sensor nach einer zweiten Ausführungs­ variante und

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Auswertemittel des Beschleunigungssensors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist in Draufsicht das Design eines Be­ schleunigungssensors 10 gezeigt. Der Beschleunigungs­ sensor 10 ist auf einem, im einzelnen nicht darge­ stellten Substrat, beispielsweise einem Wafer, struk­ turiert. Die Strukturierung kann mittels bekannter Verfahren der Oberflächenmikromechanik erfolgen. In der gezeigten Darstellung wird der Wafer von der Papierebene gebildet. Der Wafer kann gleichzeitig hier nicht näher zu betrachtende elektrische Auswer­ teschaltungen für den Beschleunigungssensor 10 auf­ weisen.

Der Beschleunigungssensor 10 besitzt eine Schwing­ struktur 12, die als seismische Masse 14 ausgebildet ist. Die Schwingstruktur 12 ist gegenüber dem Substrat (Wafer) beweglich aufgehängt. Hierzu ist ein Rahmen 16 vorgesehen, von dem nach innengerichtete Vorsprünge 18 entspringen. Die Vorsprünge 18 sind über Federstäbe 20 miteinander verbunden, wobei zwi­ schen den gegenüberliegenden Federstäben 20 die seis­ mische Masse 14 angeordnet ist. Die Federstäbe 20 besitzen in Draufsicht gesehen eine geringe Breite und in die Papierebene hinein betrachtet, eine relativ große Tiefe. Der Rahmen 20 ist über Ent­ kopplungsstege 22 mit Haltestegen 24 verbunden. Die Entkopplungsstege 22 besitzen ebenfalls in Draufsicht gesehen eine relativ geringe Breite und in die Papierebene hinein betrachtet, eine relativ große Tiefe. Die Maltestege 24 sind mittels zentraler Ver­ ankerungspunkte 26 auf dem Substrat (Wafer) be­ festigt. Diese im Verhältnis kleinen Befestigungs­ punkte 26 tragen die gesamte, ansonsten frei schwe­ bend über dem Substrat angeordnete Anordnung der Haltestege 24, des Rahmens 16, der Schwingstruktur 12 sowie der Federstege 20 beziehungsweise Entkopplungs­ stege 22. Dies kann mittels bekannter Verfahrens­ schritte der Herstellung von Oberflächenmikromecha­ nik-Strukturen erfolgen, wobei die freischwingenden Bereiche unterätzt werden, so daß sich zwischen dem Substrat und der Anordnung ein geringfügiger Spalt ergibt.

Die seismische Masse 14 besitzt beidseitig eine Kamin­ struktur 28, die von senkrecht zur Oberfläche des Wafers angeordneten Plättchen gebildet wird. Die Kammstrukturen 28 sind relativ starr ausgebildet, so daß bei einer Bewegung der seismischen Masse 14 diese mit der seismischen Masse 14 starr mitschwingen.

Der Beschleunigungssensor 10 weist weiterhin Auswer­ temittel 30 auf, die von feststehenden Kammstrukturen 32 gebildet werden. Die Kammstrukturen 32 entspringen von einem Haltebalken 34, der über Entkopplungsstege 36 mit einem Haltesteg 38 verbunden ist. Der Halte­ steg 38 ist über einen Verankerungspunkt 40 mit dem Substrat (Wafer) verbunden. Hier ist auch wiederum nur der Haltesteg 38 im Bereich der Verankerungs­ punkte 40 mit dem Substrat verbunden, so daß die übrigen Bereiche des Haltestegs 30, die Entkopplungs­ stege 36, die Haltebalken 34 sowie die Kammstrukturen 32 freitragend angeordnet sind, das heißt, diese be­ sitzen keinen unmittelbaren Berührungskontakt mit dem Substrat.

Die Kammstrukturen 28 und 32 der seismischen Masse 14 beziehungsweise des Auswertemittels 30 kämmen mitein­ ander und bilden ein an sich bekanntes kapazitives Auswertemittel. Durch die Anordnung der Kammstruk­ turen 32 beziehungsweise 28 ergeben sich zwischen den jeweils benachbarten Stegen der Kammstruktur 28 be­ ziehungsweise 32 Kapazitäten C, wobei - in der Fig. 1 in Draufsicht gesehen - links eine Kapazität C1 und rechts eine Kapazität C2 besteht. Die Kapazitäten werden durch den Abstand der Stege der Kammstrukturen 28 und 32 sowie durch die sich gegenüberliegenden Flächen der Stege der Kammstrukturen 28 und 32 be­ stimmt. Da das gesamte Material des Beschleunigungs­ sensors 10 aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Silizium, besteht, können die Kapazi­ täten über die Verankerungspunkte 26 beziehungsweise 40 in das Substrat und somit in eine nicht näher dargestellte Auswerteschaltung eingebunden werden.

Es ist noch festzuhalten, daß der Beschleunigungs­ sensor 10 in bezug auf eine durch die seismische Masse 14 verlaufende, gedachte Mittellinie 42 sym­ metrisch angeordnete Entkopplungsstege 22 beziehungs­ weise Verankerungspunkte 26 beziehungsweise 40 auf­ weist. Die Kammstrukturen 28 beziehungsweise 32 sind jeweils spiegelbildlich symmetrisch zueinander ange­ ordnet. Die Verankerungspunkte 26 und 40 liegen alle in einer gemeinsamen gedachten Linie 44. Diese Linie 44 ist dabei parallel zu den Kammstrukturen 28, 32.

Es wird so erreicht, daß bei einer Ausdehnung der Kammstrukturen der Abstand der einzelnen Elemente gleich bleibt und sich somit die Kapazität zwischen den Kammstrukturen im wesentlichen nicht ändert. Dadurch wird die Temperaturabhängigkeit noch weiter verringert, da in der Richtung senkrecht zu dieser Linie 44 die Struktur frei expandieren oder kontra­ hieren kann, also keine thermischen Spannungen indu­ ziert werden können. In Verbindung mit den Entkopp­ lungsgliedern werden auch thermische Spannungen ent­ lang dieser Linie relaxiert. Die Materialexpansion senkrecht zu dieser Linie geschieht symmetrisch zu dieser, und zwar identisch für die aufgehangene Masse mit ihren beweglichen und den am Festland auf dieser Linie fixierten Kammstrukturen, die gemeinsam die Auswertemittel des Sensorelements bilden.

Weil sich sowohl "feste" als auch "bewegliche" Kamm­ strukturen identisch und senkrecht zu dieser Linie ausdehnen, oder relaxieren können, ändern sich die Gapabstände der Auswertemittel nur ∼ΔT εSensormaterial, was relativ gering ist. Andernfalls hatte man eine Änderung der Gapweite von im Extremfall ∼ΔT.(εSensormaterialSubstrat).l, im Fall eines vollständig am Festland (Substrat) befestigten Kamms, wobei l die laterale Ausdehnung der Kammausdehnung ist.

Der in Fig. 1 gezeigte Beschleunigungssensor 10 übt folgende Funktion aus:
Bei Einwirkung einer mit dem Doppelpfeil 46 gekenn­ zeichneten Beschleunigung auf den Beschleunigungs­ sensor 10 wird die seismische Masse 14 entsprechend der angreifenden Beschleunigung ausgelenkt. Hierbei wird durch die Ausbildung der Federstäbe 20 die Auslenkung lediglich in Richtung der möglichen Be­ schleunigungen gemäß dem Doppelpfeil 46 gestattet, da die seismische Masse 14 in dieser Richtung über die Federstäbe 20 weich aufgehängt ist und in hierzu senkrechter Richtung steif aufgehängt ist. Infolge der Auslenkung der seismischen Masse 14 ändern sich die Abstände zwischen den Stegen der Kammstrukturen 28 beziehungsweise 32, so daß es zu einer entspre­ chenden Variation der Kapazitäten C1 und C2 kommt. Bei einer Auslenkung der seismischen Masse 14 nach oben verringert sich der Abstand der Stege der Kamin­ strukturen 28 und 32 auf der linken Seite der seis­ mischen Masse, während sich der Abstand der Stege der Kammstrukturen 28 und 32 auf der rechten Seite der seismischen Masse 14 entsprechend vergrößert. Ent­ sprechend verringern beziehungsweise vergrößern sich die Kapazitäten C1 und C2, die über eine entsprechen­ de Auswerteschaltung erfaßbar sind und ein der an­ greifenden Beschleunigung 46 entsprechendes Signal liefern. Dieses Signal kann beispielsweise zur Aus­ lösung von Rückhaltesystemen in Kraftfahrzeugen aus­ genutzt werden.

Durch die Anordnung der Entkopplungsstege 22 und der Anordnung der Verankerungspunkte 26 und 40 auf der Linie 44 wird erreicht, daß unabhängig von einer Ein­ wirkung der Beschleunigung 46 auftretende, tempera­ tur- und/oder materialabhängige Spannungen innerhalb des Substrates nicht auf die seismische Masse 14 oder die Auswertemittel 30 übertragen, sondern frei re­ laxiert werden können. Die im Substrat auftretenden mechanischen Spannungen und/oder temperaturabhängigen Ausdehnungen werden durch die Entkopplungsstege 22 kompensiert, so daß diese nicht auf den Rahmen 16 und den darin angeordneten seismischen Massen 14 über­ tragen werden können. Die Entkopplungsstege 22 sind in der Substratebene weich und flexibel, so daß beispielsweise eine Längenänderung des Materials, die auf die Haltestege 24 übertragen wird, ausgeglichen werden kann. Dies wird erreicht, da die Entkopplungs­ stege 22 in Draufsicht gesehen relativ schmal sind und in die Ebene hinein betrachtet eine relativ große Tiefe aufweisen. Hierdurch sind die Entkopplungsstege 42 in Richtung der Mittellinie 42 relativ weich aufgehängt. Durch die bogenförmige Geometrie der Entkopplungsstege 22 zwischen den Rahmen 16 und den Haltestegen 24 können ebenfalls in Richtung der Linie 44 auftretende Längenänderungen abgefangen werden. Durch die im Verhältnis große Tiefe zur Breite der Entkopplungsstege 22 werden Auslenkungen senkrecht zur Substratebene (senkrecht zur Papierebene in Fig. 1) abgefangen, da die Entkopplungsstege 22 in dieser Richtung steif sind. Durch die symmetrische Anordnung der Entkopplungsstege 22 und der Verankerungspunkte 26 beziehungsweise 40 werden auftretende mechanische Spannungen gleichmäßig mit entgegengesetzten Vor­ zeichen abgefangen, so daß die seismische Masse 14 und die Auswertemittel 30 in ihrer Position verblei­ ben.

Auch eine Längenänderung der Struktur des Beschleuni­ gungssensors 10 selbst, beispielsweise der Federstäbe 20 und/oder des Rahmens 16 und/oder der seismischen Masse 14 bei einer Temperaturänderung, wobei die Längenänderung sich durch den linearen Ausdehnungs­ koeffizienten des entsprechenden Materials ergibt, wird durch die Entkopplungsstege 22 und die Anordnung der Verankerungspunkte 26 und 40 in einer Linie kom­ pensiert. Eine Veränderung der Lage der seismischen Masse 14 zu den Auswertemitteln 30 erfolgt hierdurch nicht.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Beschleunigungssensors 10. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Bei der Ausführungsvariante in Fig. 2 sind die Entkopplungsstege 22 als Winkel aus­ gebildet. Hierdurch wird ebenfalls erreicht, daß die Entkopplungsstege 22 in Richtung der Mittellinie 42 und in Richtung der Linie 44 weich sind und durch ihre relativ große Tiefe im Verhältnis zu ihrer in Draufsicht gesehenen Breite in die Papierebene hinein steif sind. Somit können auch hier im Substrat oder im Beschleunigungssensor 10 auftretende Längenände­ rungen infolge von Temperaturveränderungen oder auf­ tretender mechanischer Spannungen kompensiert werden. Die winkelförmige Ausbildung der Entkopplungsstege 22 läßt sich mit bekannten Verfahren der Strukturierung von Oberflächenmikromechanik-Strukturen einfacher er­ zielen als die in Fig. 1 gezeigte bogenförmige Struktur der Entkopplungsstege 22. Die Wirkung der Entkopplungsstege 22 in beiden Fällen ist die glei­ che.

Fig. 3 zeigt in einer Detailansicht eine mögliche Ausführungsvariante der Ausbildung der Auswertemittel 30. Hier ist der Haltebalken 34 über einen Rahmen 46 sowie Entkopplungsstege 48 mit Haltestege 38 verbun­ den. Die Haltestege 38 ihrerseits sind wiederum über die Verankerungspunkte 40 an dem Substrat befestigt.

Durch die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsvariante wird zusätzlich eine Entkopplung der Auswertemittel 30 von Längenänderungen des Substrats oder des Aus­ wertemittels 30 selber erreicht. Über die symmetri­ sche Anordnung der Entkopplungsstege 48 und die An­ ordnung der Verankerungspunkte 40 auf der Linie 44 wird auch hier eine verbesserte Entkopplung der Aus­ wertemittel 30 von temperaturbedingten Längenände­ rungen und mechanischen Spannungen im Material des Substrats erreicht. Die Entkopplungsstege 48 sind wiederum winkelförmig ausgebildet, so daß diese in Richtung der Linie 44 und der Mittellinie 42 (Fig. 1) weich sind und senkrecht zum Substrat steif sind.

Insgesamt ist mittels der Entkopplungsstege 22 bezie­ hungsweise 48 und der Anordnung der Verankerungspunk­ te 26 und 40 auf einer Linie eine vollkommene Tempe­ ratur- und Spannungskompensation möglich, so daß jeg­ liche Druck- und Zugspannungen im Sensormaterial, das heißt im Substrat oder im Beschleunigungssensor 10 selber, ausgeglichen werden können und diese somit keinen Einfluß auf das Sensorverhalten, insbesondere einen Offset und eine Empfindlichkeit, haben.

Claims (13)

1. Beschleunigungssensor mit einer beweglich an einem Substrat aufgehängten, aufgrund einer Beschleuni­ gungseinwirkung auslenkbaren Schwingstruktur und Aus­ wertemitteln zum Erfassen einer beschleunigungsbe­ dingten Auslenkung der Schwingstruktur, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schwingstruktur (12) und/oder die Auswertemittel (30) über mechanische Entkopp­ lungseinrichtungen mit dem Substrat verbunden sind.
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schwingstruktur (12) in einem schwebend aufgehängten Rahmen (16) angeordnet ist, der über Entkopplungsstege (22) mit mit dem Substrat verbundenen Haltestegen (24) verbunden ist.
3. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte­ stege (24) über jeweils einen symmetrisch angeordne­ ten Verankerungspunkt (26) mit dem Substrat verbunden sind.
4. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent­ kopplungsstege (22) bogenförmig zwischen dem Rahmen (16) und den Haltestegen (24) angeordnet sind.
5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsstege (22) winkelförmig zwischen dem Rahmen (16) und den Halte­ stegen (24) angeordnet sind.
6. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ wertemittel (30) über Entkopplungsstege (48) mit einem mit dem Substrat verbundenen Haltesteg (38) verbunden ist.
7. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent­ kopplungsstege (48) winkelförmig zwischen dem Auswer­ temittel (30) und den Haltestegen (38) angeordnet sind.
8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte­ stege (38) über jeweils einen symmetrisch angeordne­ ten Verankerungspunkt (40) mit dem Substrat verbunden sind.
9. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ wertemittel (30) mit einem Rahmen (46) verbunden sind, der über die Entkopplungsstege (48) mit den Halte­ stegen (38) verbunden ist.
10. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (16, 46) über jeweils vier symmetrisch ange­ ordnete Entkopplungsstege (22, 48) mit den Halte­ stegen (24, 38) verbunden sind.
11. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent­ kopplungsstege (22, 48) in parallel zur Substratober­ fläche liegende Bewegungsrichtungen weich und senk­ recht zur Substratoberfläche starr sind.
12. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Veran­ kerungspunkte (26, 40) auf einer gedachten Linie (44) liegen.
13. Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Kammstrukturen (28, 32) vorge­ sehen sind, die aus länglichen, plattenförmigen, parallel zueinander angeordneten Stegen aufgebaut sind und daß die gedachte Linie (44) parallel zu den Stegen angeordnet ist.
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