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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft mikrobearbeitete Beschleunigungsmesseinrichtungen,
und insbesondere Aufhängungsstrukturen
zum Ausgleichen von Out-of-Plane-Verschiebungen
der Prüfmasse von
mikrobearbeiteten Beschleunigungsmessern, die einen oder mehrere
Kraftaufnehmer mit kapazitiver Anzeige des Kammtyps zum Messen der
Kraft aufweisen, die auf eine Prüfmasse
angewandt wird, und Verfahren zum Herstellen derselben.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Ein
Verfahren zur Detektion und Messung von Kräften, das breiten Einsatz findet,
verwendet einen mechanischen Kraftaufnehmer mit kapazitiver Anzeige,
der einen kapazitiven Ausgang aufweist, welcher proportional zur
angewandten Kraft ist. Bei einem solchen mechanischen Kraftaufnehmer
sind zwischen einem Instrumentenrahmen und einer Prüfmasse,
die an einem Biegebalken aufgehängt
ist, ein oder mehrere Kondensatoren ausgebildet. Eine Kraft, die
an einer bestimmten Achse auf die Prüfmasse angewandt wird, bewirkt
eine Verschiebung der Prüfmasse
relativ zum Rahmen, wodurch der kapazitive Ausgang der Kondensatoren
variiert wird. Die auf die Prüfmasse
angewandte Kraft wird durch Messen einer sich auf diese Weise ergebenden
Veränderung
der Kapazität
quantifiziert.
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Ein
solcher Mikro-Beschleunigungsmesser ist eine Kombination aus einer
mechanischen Struktur, die die Prüfmasse, den Aufhängungsbiegebalken sowie
einen fest angeordneten Instrumentenrahmen umfasst, und einer elektrischen
Struktur, die Kondensatorelektroden, Stromversorgungsverbindungen, und
externe Schaltungen umfasst, die einen Kondensatorschaltkreis bilden.
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Genauer
ausgedrückt
ist eine mikrobearbeitete Prüfmasse
durch einen Biegebalken mit einem fest angeordneten Instrumentenrahmen
verbunden, der einen Teil des Rah mens des Kraftaufnehmers bildet.
Zwischen einer oder mehreren Elektrodenflächen der drehbar angebrachten
Prüfmasse
und gegenüberliegenden
Flächen
damit zusammenwirkender fest angeordneter Elektroden des Instrumentenrahmens
ist ein Kondensator ausgebildet. Eine Bewegung der Prüfmassenelektrodenflächen relativ
zu den zusammenwirkenden fest angeordneten Elektroden verändert den
Kondensatorwert des Kondensatorschaltkreises. Diese Variation des
Kondensatorwertes hängt
von der relativen Bewegung der Prüfmasse ab, die durch Kräfte, d.
h. durch Beschleunigung, verursacht wird, welche auf die Prüfmasse angewandt
wird. Eine Veränderung
des Messwerts des Kondensators stellt daher eine Beschleunigungsmessung
dar.
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Einem
bekannten Verfahren gemäß sind die Elektroden
der Prüfmasse
und die damit zusammenwirkenden fest angeordneten Elektroden derart
ausgebildet, dass sie ineinander eingreifende, kammartige Finger
aufweisen, wobei zwischen den gegenüberliegenden Flächen der
Finger der fest angeordneten Elektrode und der Prüfmasse eine
große
Anzahl von Kondensatoren mit im Wesentlichen parallelen Platten
ausgebildet ist.
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Kraftaufnehmer
mit kapazitiver Anzeige, die solche ineinander eingreifenden kammartigen
Finger verwenden, wurden aus einem Grundkörper aus Halbleitermaterial,
z. B. aus Silizium, als mikro-elektromechanische Systeme, oder „MEMS" gefertigt, integrierte
Mikroeinrichtungen oder Systeme, die elektrische und mechanische
Bauteile kombinieren, welche unter Verwendung von Stapelverarbeitungsverfahren
für integrierte
Schaltkreise (IC) gefertigt wurden.
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In
seiner allgemeinsten Form besteht ein MEMS aus mechanischen Mikrostrukturen,
Mikrosensoren, Mikroaktuatoren und Elektronik, die in derselben
Umgebung integriert sind, d. h. auf einem Siliziumchip. Die MEMS-Technologie stellt
auf dem Gebiet von Festkörperaufneh mern
eine grundlegende Voraussetzung dar. Die Mikrofertigungstechnik
ermöglicht
die Fertigung großer-Arrays
aus Einrichtungen, die jede für
sich nur einfache Aufgaben ausführen,
kombiniert jedoch komplizierte Funktionen ausüben können. Zu den gegenwärtigen Anwendungen zählen Beschleunigungsmesser,
Druck-, chemische und Durchflusssensoren, Mikrooptik, optische Abtaster
und Fluidpumpen. Ein Mikrobearbeitungsverfahren beispielsweise beinhaltet,
einen Siliziumgrundkörper
mit einer gewünschten
Struktur zu maskieren, und anschließend eine Tiefenätzung des
Siliziums durchzuführen,
um dessen urmaskierte Abschnitte zu entfernen. Die resultierende
dreidimensionale Siliziumstruktur dient als eine Miniatureinrichtung
zur Messung mechanischer Kräfte,
z. B. als ein Beschleunigungsmesser mit einer Prüfmasse, die an einem Biegebalken
aufgehängt
ist. Existierende Verfahren zur Herstellung dieser Miniatureinrichtungen sind
in den
US-Patentschriften 5,006,487 , „Method
of Making an Electrostatic Silicon Accelerometer" und
4,945,765 , „SILICON
MICROMACHINED ACCELEROMETER",
offenbart, die hiermit vollinhaltlich in den vorliegenden Gegenstand
miteinbezogen sind.
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Ein
MEMS mit einem hohen Seitenverhältnis (High
Aspect Ratio MEMS – HIMEMS)
ist ein bekannter Prozess der Herstellung derartiger MEMS-Einrichtungen,
einschließlich
MEMS-Beschleunigungsmesseinrichtungen. Ein HIMEMS ermöglicht die
Fertigung komplexer Einrichtungsauslegungen in zwei Dimensionen,
wobei die Einrichtung allerdings eine festgelegte Dicke im Bereich
einer Ausstechform aufweisen muss. In-Plane-Beschleunigungsmesser
mit kapazitiver Anzeige, die als HIMEMS-Einrichtungen gefertigt
sind, können
eine Prüfmasse
aufweisen, an deren Kanten eine Anzahl von Fingern ausgebildet ist,
und die an Biegebalken aufgehängt
ist, wobei die Finger an der Prüfmasse
in Eingriff mit zusammenwirkenden Elektrodenfingern an einer fest
angeordneten Struktur stehen, um so eine Anzahl von Kondensatoren
dazwischen auszubilden. Indem sich die Prüfmasse in Reaktion auf eine
angewandte Kraft bewegt, nähern
sich die in Eingriff stehenden Finger der Prüfmasse den Fingern der fest
angeordneten Struktur, oder entfernen sich von diesen, wodurch die
Kapazität
zwischen ihnen zunimmt oder abnimmt. Die Veränderung der Kapazität zwischen
den Fingern ist eine Messgröße der Kraft,
die auf die Prüfmasse
angewandt wird, und lässt
sich als ein Beschleunigungssignal interpretieren. Ein Problem bei
In-Plane-Beschleunigungsmessern
mit kapazitiver Anzeige dieser Art besteht darin, dass, wenn sie
als HIMEMS-Einrichtungen
gefertigt sind, Kräfte,
die relativ zu den ineinandergreifenden Fingern außerhalb
der Ebene (out of plane) angewandt werden, eine Out-of-Plane-Trennung oder „Lösung" des Eingriffs der
Finger verursachen, was die Kapazität zwischen den Fingern erhöht und als
Abnahme der angewandten Kraft oder Beschleunigung registriert wird.
Diese Out-of-Plane-Trennung oder „Lösung" der Finger ist eine „Überkreuzempfindlichkeit" der Einrichtung,
die zu einer Abnahme der Kapazität
zwischen den Fingern führt,
unabhängig
davon, ob die Out-of-Plane-Kraft oder Beschleunigung positiv oder
negativ angewandt wird. Andere Beispiele von Einrichtungen des Stands
der Technik sind in
US 2002/026830 ,
DE 19 637 265 und „A Lateral
Capacitive CMOS Accelerometer with Structural Curl Compensation", Gang Zhang et al,
Micro Electromechanical Systems, 1999, MEMS '99, Twelfth IEEE International Conference
in Orlando, FL, USA, Seiten 606–611,
ISBN: 0-7803-5194-0 zu entnehmen.
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Die
vorliegende Erfindung reduziert oder eliminiert im Wesentlichen
die Out-of-Plane-Trennung oder Lösung
der Einrichtungsfinger und die sich daraus ergebende Überkreuzempfindlichkeit,
indem sie die traditionell fest angeordnete Elektrodenstruktur derart
aufhängt,
dass die Elektrodenstruktur, obwohl sie im Wesentlichen gegen Bewegung
in Richtung der empfindlichen Achse und der In-Plane-Überkreuzrichtung
gesichert ist, auf eine Kraft anspricht, die außerhalb der Ebene (out-of-plane)
angewandt wird, indem sie sich in eine Richtung und um eine Größe außerhalb
der Ebene bewegt, die im Wesentlichen der Richtung und der Größe der Prüfmasse entsprechen.
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Die
traditionell fest angeordnete Elektrodenstruktur ist derart an verschwenkbaren
Torsinns- oder anderen Drehbiegebalken von einer fest angeordneten
Grundstruktur aufgebaut, dass die Elektrodenfinger sich derart drehen,
dass sie sich wenigstens teilweise an die Out-of-Plane-Ablenkung der Elektrodenfinger
der Prüfmasse
anpassen.
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Entsprechend
ist eine Aufhängungsstruktur für eine HIMEMS-Einrichtung
mit einem hohen Seitenverhältnis
zum Messen einer angewandten Kraft vorgesehen, wobei die Einrichtung
ausgestattet ist mit: einem Instrumentenrahmen; einer Prüfmasse, die
derart an den Rahmen gekoppelt ist, dass sie eine In-Plane-Bewegung
an einer Symmetrieachse vollziehen kann, wobei die Prüfmasse erste
und zweite beabstandete Kondensatorplatten aufweist, die auf jeder
Seite der Symmetrieachse von dieser vorspringen und im Wesentlichen
quer zur Symmetrieachse ausgerichtet sind; und mit dritten und vierten beabstandeten
Kondensatorplatten, die im Wesentlichen quer zur Symmetrieachse
der Prüfmasse
ausgerichtet sind, und jeweils mit den ersten bzw. zweiten Kondensator
in Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten und
vierten Kondensatorplatten so aufgehängt sind, dass sie sich jeweils
relativ zu dem Rahmen um eine erste bzw. eine zweite Drehachse,
die im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse der Prüfmasse ausgerichtet
ist, drehen können.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung sind die dritten und vierten Kondensatorplatten
derart an ersten bzw. zweiten Torsionsbalken aufgehängt, die
zwischen die dritten und vierten Kondensatorplatten und Rahmen gekoppelt
sind, dass sie sich relativ zu dem Rahmen drehen können.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung sind die ersten und zweiten Torsionsbalken
jeweils als ein Paar Torsionsbalken gefertigt, die jeweils an gegenüberliegenden
Enden der dritten und vierten Kondensatorplatten beabstandet angeordnet
sind.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung weist die HIMEMS-Einrichtung eine Befestigungsstruktur
auf, die jeweils zwischen die ersten und zweiten Torsionsbalken
und den Rahmen gekoppelt ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung sind die Torsionsbalken jeweils als
stabförmige Biegebalken
mit einer Längenabmessung
ausgebildet, die, gemessen an der jeweiligen Drehachse, größer ist
als eine Breitenabmessung quer zur Symmetrieachse der Prüfmasse gemessen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung sind Verfahren zum Ausbilden einer
Aufhängungsstruktur
zum Ausgleichen von Out-of-Plane-Verschiebungen einer Prüfmasse einer
mikro-elektromechanischen Systemeinrichtung mit hohem Seitenverhältnis bereitgestellt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die
vorstehenden Aspekte sowie zahlreiche damit einhergehende Vorteile
der Erfindung werden deutlicher, indem die Erfindung anhand der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die
begleitenden Figuren besser nachvollziehbar gemacht wird, wobei:
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1 und 2 einen
bekannten In-Plane-Beschleunigungsmesser mit kapazitiver Anzeige zeigen,
der als eine MEMS oder HIMEMS-Einrichtung mit hohem Seitenverhältnis ausgebildet
ist, die den Nachteil der Überkreuzempfindlichkeit
aufweist, wobei 1 eine Draufsicht ist, und 2 eine Querschnittendansicht
der Einrichtung aus 1 ist; und
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3 und 4 die
Aufhängungsvorrichtung
und das Verfahren der Erfindung zum Ausgleichen von Out-of-Plane-Verschiebungen einer
Prüfmasse
an einem beispielhaften In-Plane-Kraftaufnehmer mit kapazitiver
Anzeige zeigen, der als eine MEMS- oder HIMEMS-Kraftmesseinrichtung
mit hohem Seitenverhältnis
ausgebildet ist, wobei 3 eine Draufsicht von oben ist,
und 4 eine Querschnittendansicht durch die Einrichtung
aus 3 ist.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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In
den Figuren verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Aufhängungsvorrichtung und ein Verfahren
zum Ausgleichen von Out-of-Plane-Verschiebungen
einer Prüfmasse
eines In-Plane-Kraftaufnehmers
mit kapazitiver Anzeige des Kammtyps, der als eine MEMS- oder HIMEMS-Einrichtung
mit hohem Seitenverhältnis zum
Messen einer angewandten Kraft ausgebildet ist, z. B. als ein Beschleunigungsmesser,
wobei die HIMEMS-Einrichtung aufweist:
einen Instrumentenrahmen,
der einen Teil des Rahmens des Kraftaufnehmers bildet;
ein
Substrat von im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke, in dem eine Prüfmasse von
im Wesentlichen gleichmäßiger Breite
ausgebildet ist, die an jedem von zwei gegenüberliegenden Enden an einem
oder mehreren Biegebalken aufgehängt
ist, um sich relativ zu dem Rahmen in der Ebene des Substrats und
entlang einer Achse quer zu seiner Breite bewegen zu können, wobei
die Prüfmasse
an jeder ihrer zwei Kanten eine Anzahl von nach außen vorspringenden Fingern
aufweist, die durch die Breite der Prüfmasse an der Längserstreckung
der Prüfmasse
beabstandet sind, und im Wesentlichen quer zu ihrer Bewegungsachse
fluchten, und einzelne, im Wesentlichen flache Kondensatorplatten
bilden, die im Wesentlichen quer zu ihrer Bewegungsachse ausgerichtet sind;
und
eine erste und zweite Anzahl fest angeordneter Elektrodenfinger,
die im Substrat ausgebildet sind, und an gegenüberliegenden Seiten der Prüfmasse beabstandet
sind, und relativ zu der Bewegungsachse der Prüfmasse im Wesentlichen fest
an dem Rahmen gesichert sind, wobei die ersten und zweiten fest angeordneten
Elektrodenfinger nach innen zur Prüfmasse hin vorspringen und
jeweils alternierend mit den nach außen vorspringenden Fingern
der Prüfmasse
beabstandet angeordnet sind, die an der Längserstreckung der Prüfmasse beabstandet
angeordnet sind, und einzelne, im Wesentlichen flache Kondensatorplatten
bilden, die im Wesentlichen quer zur Bewegungsachse der Prüfmasse ausgerichtet sind,
und mit den Kondensatorplatten der Prüfmasse zusammenwirken, derart,
dass einzelne Kondensatoren dazwischen ausgebildet werden, wenn
ein elektrischer Strom daran angelegt wird, wobei die ersten und
zweiten fest angeordneten Elektrodenfinger an einem oder mehreren
Torsionsbalken aufgehängt
sind, derart,
dass sie sich um eine jeweilige Achse, die im
Wesentlichen parallel zu der Bewegungsachse der Prüfmasse ausgerichtet
ist, relativ zu dem Rahmen drehen können.
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1 und 2 zeigen
einen bekannten In-Plane-Beschleunigungsmesser mit kapazitiver Anzeige,
der als eine MEMS- oder HIMEMS-Einrichtung mit hohem Seitenverhältnis ausgebildet
ist, die aufgrund einer Out-of-Plane-Trennung (gezeigt als ±z-Achse)
oder „Lösung" der Finger in Reaktion
auf positiv oder negativ angewandte Out-of-Plane-Kräfte oder
Beschleunigungen den Nachteil der Überkreuzempfindlichkeit aufweist,
wobei 1 eine Draufsicht ist, und 2 eine Querschnittendansicht
ist. Die In-Plane-Beschleunigungsmesseinrichtung mit kapazitiver
Anzeige 1 weist eine Prüfmasse 3 auf,
die an zwei Endpunkten 5, 7 an einem Rahmen 9 aufgehängt ist,
der in einem Substrat ausgebildet ist. Die Prüfmasse 3 ist normalerweise
durch eine anodische Verbindung oder einen Klebstoff am Rahmen 9 gesichert,
die oder der allgemein an den Endpunkten 5, 7 gezeigt
ist. Die Prüfmasse 3 ist
an jedem der zwei Endpunkte 5, 7 jeweils an einem
Paar Biegebalken 11, 13 aufgehängt, derart, dass sie sich
entlang der empfindlichen Achse der Einrichtung 1 bewegen kann,
die hier als die x-Achse
gezeigt ist. Wenn die HIMEMS-Einrichtung 1 ein In-Plane-Beschleunigungsmesser
mit kapazitiver Anzeige ist, wie in 1 und 2 gezeigt,
kann die Prüfmasse 3 mit einer
Anzahl kammartiger Finger 15 ausgestattet sein, die vom
Grundkörper
der Prüfmasse,
bezeichnet mit 3, nach außen vorspringen. Jeder der
Finger 15 wirkt mit einem Elektrodenfinger 17 zusammen, um
so eine Anzahl von Kondensatoren zu bilden. Flächen der Finger 15 in
der y-z-Ebene sowie damit zusammenwirkende Flächen der Elektrodenfinger 17, ebenfalls
in der y-z-Ebene,
bilden gegenüberliegende
Platten eines dazwischen ausgebildeten Kondensators. Die zusammenwirkenden
Elektrodenfinger 17 sind durch eine anodische Verbindung
oder einen Klebstoff, allgemein an in Intervallen angeordneten Punkten 19, 21 gezeigt,
am Rahmen 9 gesichert. Die Elektrodenfinger 17 sind
auf diese Weise relativ zu den beweglichen Fingern 15 der
Prüfmasse
befestigt. Indem entlang der x-Achse eine positive oder eine negative
Kraft angewandt wird, nähern
sich die Prüfmasse 3 und
die zugehörigen
Kondensatorplatten, die an den Fingern 15 ausgebildet sind,
den damit zusammenwirkenden Kondensatorplatten, die an den relativ
fest angeordneten Elektrodenfingern 17 ausgebildet sind,
oder entfernen sich von diesen, wodurch die Kapazität zwischen
den zusammenwirkenden Fingern 15, 17 zunimmt oder
abnimmt. Bei der Beschleunigungseinrichtung ist die Veränderung
der Kapazität
eine Messgröße der auf
die Prüfmasse 3 angewandten
Beschleunigungskraft.
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Eine
In-Plane-Beschleunigung oder eine andere Kraft, die an der empfindlichen
oder x-Achse auf die Prüfmasse 3 angewandt
wird, kann eine Überkreuzkomponente
aufweisen, die im Beispiel als die y-Achse gezeigt ist. Eine solche
In-Plane-Überkreuz- oder
y-Achskomponente ist maskiert, indem die Finger 15 der
Prüfmasse
oder die fest angeordneten Elektrodenfinger 17 oder beide
diese überlagern;
einer Veränderung
der Kapazität
zwischen den Fingern 15, 17 auf der einen Seite
der Prüfmasse 3 entspricht eine
gleichwertige und entgegengesetzte Veränderung zwischen den Fingern 15, 17 auf
der gegenüberliegenden
Seite der Prüfmasse.
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Solche
Ausgleicheffekte liegen bei HIMEMS-Einrichtung für Out-of-Plane-Komponenten der
angewandten Kraft oder Beschleunigung nicht vor. Da das HIMEMS-Verfahren
nur mit einem Substrat gleichmäßiger Dicke
arbeitet, müssen
die Prüfmassenfinger 15 und
die fest angeordneten Elektrodenfinger 17 mit einer identischen
Achsenquerbreite, d. h., z-Achsenabmessung ausgebildet sein. In
praktischer Hinsicht können
die fest angeordneten Elektrodenfinger 17 im Verhältnis zu
den Prüfmassenfinger 15 nicht
größer ausgebildet
werden, wodurch Veränderungen
der Kapazität
bei Bewegung der Prüfmassenfinger 15 entlang
der z-Achse eliminiert würden.
Auch wird eine resultierende Abnahme der Kapazität durch Versatz der Prüfmassenfinger 15 relativ
zu den fest angeordneten Elektrodenfingern 17 an der z-Achse
nicht durch eine gleichwertige und entgegengesetzte Zunahme der
Kapazität
auf der gegenüberliegenden
Seite der Prüfmasse
ausgeglichen.
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Stattdessen
bewirkt, wie in 2 gezeigt, eine Kraft oder Komponente
einer außerhalb
der Ebene angewandten Kraft, d. h. einer Kraft, die an der z-Achse
wirkt, dass sich die Prüfmasse 3 und
ihre zugehörigen
Kondensatorplatten, die an den Fingern 15 ausgebildet sind,
relativ zu den fest angeordneten Elektrodenfingern 17,
die gegen eine solche Bewegung gesichert sind, an der z- Achse verschieben.
Die Prüfmassenfinger 15 „lösen" sich, oder werden
relativ zu den normal in Eingriff stehenden, fest angeordneten Elektrodenfingern 17 versetzt.
Aus diesem Lösen
oder relativen Versatz ergibt sich eine Abnahme der Kapazität zwischen
den Fingern 15, 17. Die Abnahme der Kapazität erscheint
als eine Reduzierung der Beschleunigung oder anderen Kraft, die
entlang der x-Achse wirkt, wodurch es zu einer ungenauen Anzeige
kommt.
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3 und 4 zeigen
die Aufhängungsvorrichtung
und das Verfahren der Erfindung zum Ausgleichen von Out-of-Plane-Verschiebungen
einer Prüfmasse
an einem beispielhaften In-Plane-Kraftaufnehmer mit kapazitiver
Anzeige, der als eine MEMS- oder HIMEMS-Kraftmesseinrichtung mit
hohem Seitenverhältnis
ausgebildet ist, wobei 3 eine Draufsicht von oben ist,
und 4 eine Querschnittendansicht durch die Einrichtung
aus 3 ist, mit der Aufhängungsvorrichtung der Erfindung.
In 3 ist die Erfindung in einer In-Plane-Kraftaufnehmereinrichtung
mit kapazitiver Anzeige des Kammtyps 100 verkörpert, die
an einem Instrumentenrahmen 102 montiert ist. Kondensatorplattenfingern 104 auf
gegenüberliegenden
Seiten einer Prüfmasse 106 entsprechen
Fingerelektroden 108, die am Rahmen 102 gesichert
sind. Die Fingerelektroden 108 sind unter Benutzung einer
verschwenkbaren Aufhängung montiert,
die aus einem oder mehreren Torsionsbalken 110 ausgebildet
ist, welche zwischen die Fingerelektroden 108 und Befestigungspunkte 112 gekoppelt
sind, und diese am Rahmen 102 sichern.
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Wenn
eine Beschleunigung oder eine andere Kraft angewandt wird, die eine
Komponente außerhalb
der Ebene der Einrichtung 100 aufweist, im Beispiel als
die z-Achse dargestellt, neigt, wie in 4 gezeigt,
die Prüfmasse 106 dazu,
sich leicht aus der Ebene heraus, d. h. an der z-Achse entlang zu
bewegen, wobei die Bewegung in der Darstellung übertrieben gezeigt ist. Da
die Prüfmasse 106 einschließlich der
Finger 104 im Wesentlichen symmetrisch ist, ebenso wie
die Biegebalken 114, die sie aufhängen, damit sie sich an der
empfindlichen oder x-Achse entlang bewegen kann, neigt die Prüfmasse dazu,
sich aus der Ebene heraus zu verschieben, wenn eine Out-of-Plane-Kraft
angewandt ist, wie in 4 gezeigt, anstatt sich zu drehen. Überdies
ist der Grad der Verschiebung der Prüfmasse 106 eine Funktion der
angewandten Out-of-Plane-Kraft.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung drehen sich bei Anwendung einer Out-of-Plane-Kraft
die Fingerelektroden 108 am Rahmen 102 um eine
Achse parallel zur empfindlichen Achse der Einrichtung, gezeigt
als x-Achse, als
eine Einheit an den Biegebalken 110. Der Grad der Drehung
der Fingerelektroden 108 relativ zu dem Rahmen 102 ist eine
Funktion der angewandten Out-of-Plane-Kraft, und
die Steifheit der Torsionsbalken 110 ist derart eingestellt,
dass die gedrehte Position der Fingerelektroden 108 am
Rahmen 102 im Wesentlichen genau mit der Verschiebeposition
der Kondensatorplattenfinger 104 an der Prüfmasse 106 übereinstimmt. Daher
bleibt die Überlagerung
der Prüfmassen-
und der Rahmenelektrodenfinger 104, 108 während einer Out-of-Plane-Verschiebung der
Prüfmasse 106 im Wesentlichen
konstant, und die Veränderung
der Kapazität
im Zusammenhang mit einer Out-of-Plane-Verschiebung wird im Wesentlichen
eliminiert.
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Bei
einer detaillierten Beschreibung der Erfindung, verkörpert als
ein Beschleunigungsmesser, wie in 3 und 4 gezeigt,
ist die Kraftaufnehmer-HIMEMS-Einrichtung mit kapazitiver Anzeige des
Kammtyps 100 am Instrumentenrahmen 102 montiert,
der in einem Substrat ausgebildet ist, z. B. in einem Siliziumsubstrat,
das im Wesentlichen flache und zueinander parallele, beabstandete
Ober- und Unterflächen
aufweist, die parallel zur Papierebene gezeigt sind. Der Rahmen 102 ist
derart strukturiert, dass die Prüfmasse 106 und
die Rahmen elektroden 108 über ausreichend Platz verfügen, um
sich in einem gewünschten
Maß aus
der Ebene heraus zu bewegen, so dass das Ansprechen der Einrichtung auf
eine Beschleunigungskraft, die im Wesentlichen entlang der empfindlichen
Achse angewandt wird, nicht beeinträchtigt wird. Alternativ sind
die Prüfmasse 106 und
die Rahmenelektroden 108 ausreichend weit von der ebenen
Fläche
des Rahmens 102 entfernt, wodurch die Prüfmasse 106 vom
Chip getrennt ist, so dass sie sich derart an den Biegebalken 114 verschieben
kann, dass das Ansprechen nicht beeinträchtigt wird.
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Unter
Benutzung von HIMEMS-Fertigungsverfahren sind die Prüfmasse 106 und
die Rahmenelektroden 108 in einem Substrat ausgebildet,
z. B. einem Siliziumsubstrat, das im Wesentlichen flache und zueinander
parallele, beabstandete Ober- und Unterflächen aufweist, die parallel
zur Papierebene gezeigt sind. Die Prüfmasse 106 ist mit
einer im Wesentlichen gleichmäßigen Breite
ausgebildet, und ist relativ zu der Haupt- und der Neben-In-Plane-Achse, d.
h. der x-Achse und der y-Achse, im Wesentlichen symmetrisch. Die
Prüfmasse 106 ist
an einer oder mehreren Stellen mit einem oder mehreren Biegebalken 114 ausgebildet,
wobei die Biegebalken 114 derart strukturiert sind, dass
sie an der x-Achse der Prüfmasse 106 zwischen
dem Grundkörper
der Prüfmasse
und dem jeweiligen Befestigungspunkt 116, 118, positioniert
an der Mittellinie der Prüfmasse 106,
flexibel sind. Die Prüfmasse 106 ist
außerdem
mit einer Anzahl der Elektroden 104 ausgebildet, die als
Finger geformt sind, und die an ihrer Längserstreckung oder Hauptachse
beabstandet angeordnet sind, und von ihren zwei Kanten vorspringen.
Die Elektrodenfinger 104 sind im Wesentlichen quer zur
Haupt-x-Achse der Prüfmasse
ausgerichtet. In der Praxis sind Flächen der Elektrodenfinger 104,
die sich im Wesentlichen in der y-z-Ebene der Einrichtung befinden,
als einzelne, im Wesentlichen flache Kondensatorplatten ausgebildet,
die im Wesentlichen quer zur Haupt-x-Achse der Prüfmasse ausgerichtet
sind.
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Eine
erste und zweite Anzahl von Rahmenelektrodenfingern 108 sind
an gegenüberliegenden Seiten
der Prüfmasse 106 beabstandet
voneinander angeordnet, und sind im Wesentlichen quer zur Haupt-x-Achse
der Prüfmasse
ausgerichtet. Die zwei Sätze
von Rahmenelektrodenfingern 108 sind in den Zwischenräumen zwischen
den Prüfmassenelektrodenfingern 104 angeordnet,
und stehen derart mit diesen in Eingriff, dass kleine Zwischenräume dazwischen
ausgebildet sind. Eine oder beide Flächen auf jeder Seite der Rahmenelektrodenfinger 108,
die im Wesentlichen in der y-z-Ebene der Einrichtung ausgebildet
sind, bilden eine einzelne, im Wesentlichen flache Kondensatorplatte,
wobei die Kondensatorplatten im Wesentlichen quer zur Haupt-x-Achse
der Prüfmasse
ausgerichtet sind. Die Kondensatorplatten der Rahmenelektrodenfinger 108 wirken
mit den Kondensatorplatten der Prüfmassenelektrodenfinger 104 zusammen,
derart, dass Kondensatoren dazwischen ausgebildet werden, wenn eine
elektrische Ladung daran angelegt wird, wie im Stand der Technik bekannt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung sind die ersten und zweiten Rahmenelektrodenfinger 108 auf
beiden Seiten der Prüfmasse 106 in
unterschiedliche Gruppen 120, 122 unterteilt.
Die Gruppen 120, 122 auf jeder Seite der Prüfmasse 106 sind überdies
jeweils in eine Reihe kleinerer Sätze 120a, 120b und 122a, 122b unterteilt,
wie dargestellt. Jeder Satz 120, 122 oder 120a, 120b und 122a, 122b ist
durch einen jeweiligen Träger 124 gekoppelt,
der gestreckt und im Wesentlichen starr ist, derart, dass sich alle
Elektrodenfinger 108, die von ihm vorspringen, gemeinsam
bewegen, d. h. drehen oder schwenken. Die gekoppelten Sätze 120, 122 oder 120a, 120b und 122a, 122b der
Elektrodenfinger 108 sind einzeln an Befestigungspunkten 112 montiert, und
Wesentlichen fest am Rahmen 102 gesichert, wobei an jedem
Ende des gekoppelten Satzes ein Befestigungspunkt 112 vorgesehen
ist, und sind an einer jeweiligen Drehachse ausgerichtet, die im
Wesentlichen parallel zu der empfindlichen Achse der Einrichtung
verläuft,
d. h. der x-Achse. Die Befestigungspunkte 112 sind als
im Wesentlichen starre Blöcke
des Substratmaterials ausgebildet, und beispielsweise durch Klebstoff
fest am Rahmen 102 gesichert.
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Die
Torsionsbalken 110 koppeln jedes Ende des gestreckten und
im Wesentlichen starren Trägers 124 schwenkbar
an die Befestigungspunktblöcke 112.
Die Torsionsbalken 110 stellen eine ausreichende Säulenfestigkeit
bereit, derart, dass die jeweiligen Sätze 120, 122 oder 120a, 120b und 122a, 122b der
Rahmenelektrodenfinger 108 relativ zu der empfindlichen
Achse der Einrichtung 100 in einer festen Position am Rahmen 102 angeordnet
sind. Mit anderen Worten, wenigstens die kombinierte Zug- und Druckfestigkeit
der Torsionsbalken 110 ist ausreichend, um die Rahmenelektrodenfinger 108 gegen
eine Bewegung an der empfindlichen Achse zu sichern, wenn die Einrichtung
einer Beschleunigung oder anderen Kraft ausgesetzt ist. Die Rahmenelektrodenfinger 108 stellen
auf diese Weise eine Referenz für
die Kondensatoren bereit, die zwischen der Prüfmasse und den Rahmenelektrodenfingern 104, 108 ausgebildet
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung sind die Torsionsbalken 110 in einem einzigen Substrat
zusammen mit den Rahmenelektrodenfingern 108 und dem Träger 124 sowie
der Prüfmasse 106 ausgebildet.
Das HIMEMS-Fertigungsverfahren bewirkt, dass die Torsionsbalken 110 in
derselben gleichmäßigen Dicke
T (4) ausgebildet sind wie die Rahmenelektrodenfingern 108 und
der Träger 124 sowie
die Prüfmasse 106.
Außerdem
sind die Torsionsbalken 110 derart ausgebildet, dass sie
relativ zur Breite W (4), gemessen an der Überkreuz-
oder y-Achse, eine
wesentlich größere Länge L (3)
an der Dreh- oder H1- oder H2-Achse aufweisen. Diese relativ geringe
Breite W erlaubt es, die Torsionsbalken 110 um die jeweilige
Dreh- oder H1- oder H2-Achse zu verdre hen, ohne dass sie brechen, wobei
ein erstes Ende jedes Torsionsbalkens stationär und relativ zum Rahmen 102 fest
angeordnet bleibt, und ein zweites Ende relativ zu dem jeweiligen Träger 124 fest
angeordnet bleibt, und sich mit diesem dreht.
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Wie
in der Illustration gezeigt, sind die Rahmenelektrodenfingern 108 nur
an einer Seite des Trägers 124 vorgesehen.
Die sich so ergebenden Rahmenelektrodenstrukturen, bezeichnet mit 120, 122,
sind derart einseitig angeordnet, dass eine Beschleunigung oder
eine andere Kraft, die außerhalb der
Ebene angewandt wird, bewirkt, dass die Kombination aus Träger 124 und
vorspringenden Elektrodenfingern 108 sich um die empfindliche
oder x-Achse dreht oder verschwenkt, wie in 4 gezeigt.
Die Überkreuzabmessungen
der Torsionsbalken 110 für die Breite W und die Länge L der
empfindlichen oder x-Achse sind derart ausgewählt, dass sie in Kombination
bewirken, dass die Rahmenelektrodenstrukturen, bezeichnet mit 120, 122,
in einer Null-g-Umgebung
ausgeglichen sind, d. h. frei von der Anwendung einer Out-of-Plane-Beschleunigung
oder anderen Kraft. Die Überkreuzdicke
und die Längenabmessung
der empfindlichen oder x-Achse der Torsionsbalken 110 sind
ferner in einer Kombination ausgewählt, die bewirkt, dass die
Rahmenelektrodenstrukturen, bezeichnet mit 120, 122,
zulassen, dass die vorspringenden Elektrodenfinger 108 sich
in Reaktion auf eine Beschleunigung oder eine andere außerhalb
der Ebene angewandte Kraft zusammen mit den Prüfmassenelektrodenfingern 104 drehen
oder verschwenken. Mit anderen Worten, die effektive Federkonstante
der Torsionsbalken 110 in Kombination mit den jeweiligen
Rahmenelektrodenstrukturen, bezeichnet mit 120, 122,
ist derart ausgewählt,
dass sie mit derjenigen des oder der Biegebalken 114 in
Kombination mit der Prüfmasse 106 übereinstimmt.
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Eine
Drehung der Rahmenelektrodenstrukturen, bezeichnet mit 120, 122,
bewirkt, dass die Überlagerung
der Prüf massenelektrodenfinger 104 und
der Rahmenelektrodenfinger 108 überlagern während einer Out-of-Plane-Verschiebung
der Prüfmasse 106 im
Wesentlichen konstant bleibt, und dadurch die Kapazitätsveränderung
im Zusammenhang mit einer solchen Out-of-Plane-Verschiebung im Wesentlichen
eliminiert wird.
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Zwar
wurde die bevorzugte Form der Ausführung der Erfindung dargestellt
und beschrieben, doch wird man verstehen, dass verschiedene Veränderungen
daran vorgenommen werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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SCHLÜSSEL
ZU DEN FIGUREN:
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- Prior art = Stand der Technik