DE19743288A1

DE19743288A1 - Mikromechanischer Sensor

Info

Publication number: DE19743288A1
Application number: DE19743288A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Draxlmayr; Hans-Joerg Dr Timme
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-22
Also published as: CA2305317A1; EP1019690B1; JP2001518612A; US6357298B1; DE59810292D1; EP1019690A1; KR20010015677A; WO1999017089A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor mit ei nem der zu messenden physikalischen Größe zugeordneten Wirk element und einer mit dem Wirkelement gekoppelten, elektroni schen Auswerteschaltung.

Es sind mikromechanische Sensoren insbesondere als Silizium- Drucksensoren bekannt, welche im Wesentlichen aus einer all seitig eingespannten Membran bestehen, die sich bei einer Druckdifferenz zwischen den beiden Membranoberflächen ver wölbt. Die Signalwandlung wird beispielsweise mit integrier ten monokristallinen bzw. dielektrisch isolierten polykris tallinen Piezowiderständen oder durch Kapazitätsmessungen zu einer festen Gegenelektrode durchgeführt (piezoresistive bzw. kapazitive Signalwandlung). Eine übliche Anforderung an sol che Sensoren ist es, daß sich ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht nennenswert ändern sollen. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Sensoren wie beispielsweise bei aktiven Insassenschutzeinrichtungen im Kraftfahrzeugbereich (Airbag) ist es wünschenswert, daß bestimmte, zu beachtende Verände rungen, insbesondere Defekte, sofort erkannt werden und daraufhin Maßnahmen ergriffen werden, um versehentliche Fehl reaktionen auszuschließen. Ein unmittelbar durchzuführender Selbsttest für Drucksensoren ist derzeit nicht bekannt. Bei indirekten Selbsttests kann zwischen passiven und aktiven Selbsttests unterschieden werden. Ein aktiver Selbsttest kann vermittels einer definierten elektrostatischen Auslenkung und einer entsprechenden Abtastung des resultierenden Sensorsig nals durchgeführt werden. Hierbei bestehen jedoch wesentliche Schwierigkeiten: Erstens benötigt man für die elektrostati sche Auslenkung einer Silizium-Drucksensormembran eine Gegen elektrode, wie sie bei mittels Bulk-Micromachining herge stellten Silizium-Drucksensoren nicht vorhanden ist. Bei mit tels Surface-Micromachining hergestellten Drucksensoren (oder allgemeiner bei kapazitiv abgetasteten Drucksensoren) gibt es zwar eine geeignete Gegenelektrode, es sind aber typischer weise sehr hohe Auslenkspannungen erforderlich (mindestens einige 10 V bei einem Druckbereich um etwa 1 bar), die auf Sensorbausteinen mit einer typischen Betriebsspannung von etwa 5 V jedoch nicht zur Verfügung stehen. Ein passiver Selbsttest eines Drucksensors mit nur einer Membran kann üb licherweise nur erfolgen, wenn der Sensor einem genau defi nierten bzw. bekannten Referenzdruck ausgesetzt ist. Dies ist aber normalerweise nicht gegeben, so daß mit einem passiven Selbsttest weder Veränderungen der Genauigkeit, noch eventu elle Beschädigungen des Sensors erkennbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen auch in hohen Stückzahlen mit vergleichsweise geringen Kosten herstell baren, dabei zuverlässig arbeitenden mikromechanischen Sen sor, insbesondere kapazitiven Drucksensor, namentlich für si cherheitsrelevante Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich, zur Verfügung zu stellen, der eine hinreichend zuverlässige, je doch einfach durchzuführende Selbstüberprüfung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen mikromechanischen Sensor nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Wirkelement aus wenigstens zwei Teilstrukturen besteht, die derselben zu mes senden physikalischen Größe ausgesetzt sind, jede Teilstruk tur ein Meß-Signal an die Auswerteschaltung liefert, und die Auswerteschaltung eine Vergleichsschaltung aufweist, in der die wenigstens zwei Meß-Signale verglichen werden und welche als Ergebnis ein Vergleichssignal liefert. Eine wesentliche Idee der Erfindung liegt darin, daß das Wirkelement des Sen sors, d. h. der normalerweise das Nutzsignal liefernde Geber, insbesondere kapazitive Geber aus wenigstens zwei Teilstruk turen besteht, deren gelieferte Informationen gemittelt wer den. Partielle Beschädigungen können nun dadurch erkannt wer den, daß die Signale der beiden Teilstrukturen miteinander verglichen werden. Falls beide Teilstrukturen in Ordnung sind, sollte das sich ergebende Vergleichssignal einen vorbe stimmten Wert ergeben, z. B. im Falle eines Differenzsignales im Idealfall Null sein; unter Berücksichtigung von toleranz bedingten Unterschieden oder aufgrund von eventuellen Offset korrekturen ergibt sich ein vom vorbestimmten "Nullwert" allenfalls geringfügig abweichendes Testsignal, das jedoch von der zu messenden physikalischen Eingangsgröße (beispiels weise dem Druck) kaum abhängt. Im Falle einer partiellen Be schädigung des Sensors ergibt sich ein vom "Nullwert" deut lich abweichendes Signal, welches im Vergleich zum Sollsignal des unbeschädigten Sensors die Erkennung einer Beschädigung ermöglicht.

Dem Prinzip der Erfindung folgend sind die wenigstens zwei Teilstrukturen des Wirkelementes funktionell oder baulich gleichartig ausgebildet. Durch den identischen Aufbau oder eine gleichartige Beschaltung der Teilstrukturen ist sicher gestellt, daß die von den Teilstrukturen des Wirkelementes gelieferten Signale praktisch identisch sind. Bei einer "additiven" Beschaltung und gleichphasigen Ansteuerung ergibt sich ein Nutzsignal, welches sich aus der Summe der geliefer ten Signale zusammensetzt. Bei einer gegenphasigen Ansteue rung wird ein Differenzsignal als Nutzsignal ausgewertet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeich nung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen kapaziti ven Drucksensor;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Drucksensors;

Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm der Beschaltung des Drucksensors bei einer gleichphasigen Ansteuerung;

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm der Beschaltung des Drucksensors bei einer gegenphasigen Ansteuerung;

Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm der Beschaltung des Drucksensors bei einer abwechselnd gegen- oder gleichphasigen Ansteuerung.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte kapazitive Drucksen sor 1 als Beispiel eines mikromechanischen Sensors nach der Erfindung besitzt eine auf einem Siliziumsubstrat 2 nach mik romechanischem Verfahren gefertigte Membran aus einer dünnen, dotierten Polysiliziumfolie 3, welche die auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 2 ausgebildeten Hohlräume 4 einer Oxid schicht 5 überspannt, und sich bei Einwirkung des zu messen den Druckes verwölbt. Die Membran wirkt als die einen Elek troden der Kapazitäten C1 und C2; als Gegenelektrode dient ein in der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates 2 dotierter Wannenbereich 6. Der monolitische Drucksensor 1 ist somit mittels oberflächenmikromechanischer Verfahren ("Surface Micromachining") hergestellt, wobei für das Membranmaterial neben Polysilizium auch anderes geeignetes elektrisch leitfä higes Material verwendbar ist, damit die Membranauslenkungen kapazitiv erfaßt werden. Obzwar die resultierenden Kapazi tätssignale sehr klein sind und demzufolge geeignete Verstär kungsschaltkreise erfordern, liegt der Hauptvorteil dieses Herstellverfahrens gegenüber der sogenannten Bulk-Mikromecha nik, bei der die Membranen aus monokristallinem Silizium ge fertigt sind und eine piezorezistive Signalerfassung verwen det wird, darin, daß ähnliche Prozeßschritte wie bei der Herstellung von Standard integrierten Schaltkreisen zum Ein satz gelangen und demzufolge die erforderlichen (in Fig. 1 und 2 nicht gezeigten) Schaltkreise für die Signalverarbei tung mit den CMOS-Prozeßschritten im Sinne einer einfacheren Integration gefertigt werden können.

Die Draufsicht nach Fig. 2 zeigt zwei gleichartig aufgebaute Teilstrukturen 7 und 8 (mit Gesamtkapazitäten C1 und C2), die aus jeweils (beispielhaft) sechs quadratischen Einzelmembra nen bestehen. Anzahl und Formgebung der Einzelmembranen sind an sich beliebig; von Vorteil ist, wenn die beiden Teilstruk turen 7 und 8 jeweils gleich aufgebaut sind und zu den Ge samtkapazitäten C1 und C2 zusammengeschaltet sind, wie dies in der Querschnittansicht nach Fig. 1 schematisch darge stellt ist. Durch den identischen Aufbau der Teilstrukturen sowie die Beschaltung ist sichergestellt, daß deren Kapazi tätswerte C1 und C2 praktisch identisch sind. Der Absolutwert von C1 bzw. C2 liegt typischerweise bei etwa 2 pF; ein Druck signal von 100 Pa ergibt eine Änderung des Kapazitätswerts von typischerweise 0,15 fF. Dies stellt im übrigen hohe An forderungen an die Auswerteelektronik.

In den Fig. 3 bis 5 zeigen Blockdiagramme drei bevorzugte Beschaltungen des Drucksensors 1; hierbei sind die Teilstruk turen des Sensors der Einfachheit halber durch die Kapazitä ten C1 und C2 dargestellt und die gleichfalls auf dem Silizi umsubstrat 2 des Sensorbauelementes integriert ausgebildete Auswerteschaltung ebenfalls nur schematisch mit den Bezugs ziffern 9, 10, 11 dargestellt, die in Wirklichkeit komplexer sind und aus mehreren Schaltkreiskomponenten bestehen können.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Ka pazitäten C1 und C2 durch die Signale 13, 14 gleichphasig an gesteuert, wobei die Ausgänge der Kapazitäten C1 und C2 ge meinsam an dem getakteten Schalter 12 anliegen, der dem Schaltkreis 9 vorgeschaltet ist. Die Schaltung 9 und der Schalter 12 stehen schematisch für einen Analog-Digital A/D- Wandler, der wiederum einen Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung und ein zweistufiges Digitaldezimalfilter besitzt, welche in den Figuren jedoch nicht näher dargestellt sind. Bei dieser additiven Beschaltung ergibt sich ein im Wesentli chen aus der Summe der beiden Einzelsignale von C1 und C2 ge liefertes Nutzsignal. Für einwandfreie Sensoren gilt: C1 ist identisch zu C2, womit das Nutzsignal C1 + C2 druckabhängig ist, während sich für das Differenzsignal C1 - C2 = 0 ergibt (abgesehen von einer eventuellen Offsetkorrektur). Im Fall von Beschädigungen gilt: C1 ungleich C2, wodurch sich ein entsprechendes Differenzsignal ergibt, welches von der Aus werteschaltung 9 erfaßt werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 werden die Kapa zitäten C1 und C2 durch die Signale 15, 16 gegenphasig ange steuert, wobei die Ausgänge der Kapazitäten C1 und C2 wiederum gemeinsam an den getakteten Schalter 12 anliegen, der einem Schaltkreis 10 vorgeschaltet ist. In diesem Fall stellt der Schaltkreis 10 einen differentiellen Integrator dar. Bei der subtraktiven Beschaltung ergibt sich eine im We sentlichen aus der Differenz der beiden Einzelsignale von C1 und C2 geliefertes Nutzsignal. Das Summensignal ist hingegen bei einwandfreien Sensoren im Idealfall NULL, und ergibt im Falle einer Beschädigung einen von NULL ungleichen Wert, der wiederum von der Auswerteschaltung 9 erfaßt und auswertet werden kann.

Das Prinzip der Erfindung beschränkt sich allerdings nicht auf die in den Fig. 3 und 4 ausgeführten Beschaltungsbei spiele mit entweder streng gleichphasiger oder streng gegenphasiger Ansteuerung der Einzelkapazitäten C1 und C2. Vielmehr sind auch komplexere Beschaltungen möglich. In Fig. 5 ist hierzu äußerst schematisch ein weiteres Ausführungsbei spiel angedeutet, bei dem die (wechselweise angesteuerten) Kapazitäten C1 und C2 jeweils getrennten Schaltern 17, 18 zu geordnet sind, die wiederum zwei getrennten Eingängen einer diesmal schematisch als Operationsverstärkerschaltung bzw. Komparatorschaltung angedeuteten Auswerteschaltung 11 zuge ordnet sind.

Bezugszeichenliste

1

kapazitiver Drucksensor

2

Siliziumsubstrat

3

Polysiliziumfolie

4

Hohlräume

5

Oxidschicht

6

Wannenbereich

7

,

8

Teilstrukturen

9

,

10

,

11

Auswerteschaltungen

12

getakteter Schalter

13

,

14

,

15

,

16

Signale

17

,

18

getakteter Schalter

Claims

1. Mikromechanischer Sensor mit einem der zu messenden physi kalischen Größe zugeordneten Wirkelement und einer mit dem Wirkelement gekoppelten, elektronischen Auswerteschaltung (9, 10, 11), dadurch gekennzeichnet, daß das Wirkelement aus wenigstens zwei Teilstrukturen (C1, C2) besteht, die derselben zu messenden physikalischen Größe ausgesetzt sind, jede Teilstruktur (C1, C2) ein Meß-Signal an die Auswerteschaltung (9, 10, 11) liefert, und die Auswer teschaltung (9, 10, 11) eine Vergleichsschaltung aufweist, in der die wenigstens zwei Meß-Signale verglichen werden und welche als Ergebnis ein Vergleichssignal liefert.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Teilstrukturen (C1, C2) des Wirkelementes funktionell oder baulich gleichartig ausgebil det sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichssignal im Idealfall eines aus völlig gleichartigen Teilstrukturen (C1, C2) zusammengesetzten Wirkelementes und gemeinsamer Beaufschlagung mit derselben physikalischen Größe NULL ist, und im Falle eines Defektes einer Teilstruktur (C1, C2) des Wirkelementes einen von NULL verschiedenen Wert liefert.

4. Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung differentiell arbeitet, und das Vergleichssignal einen gemittelten Wert, insbesondere Additions- oder Subtraktionswert aus den Meß-Signalen der wenigstens zwei Teilstrukturen (C1, C2) liefert.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wirkelement ein A/D-Wandler nachgeschaltet ist, der aus den analogen Meß-Signalen ein digitales Signal wandelt, welches in der digitalen Auswerteschaltung (9, 10, 11) verar beitet wird.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Signalverläufe der von wenigstens zwei Teilstrukturen (C1, C2) gelieferten Meß-Signale gleichphasig oder gegenphasig zueinander sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (9, 10, 11) in demselben Substrat des mikromechanischen Sensors zusammen mit dem Wirkelement monolithisch integriert ausgebildet ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirkelement aus einer an mehreren Seiten eingespann ten Membran besteht, die sich bei einer Druckdifferenz zwi schen den beiden Membranoberflächen verwölbt.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen mikromechanischen Drucksensor mit kapa zitiver Signalwandlung handelt.