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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Beschleunigungsmessgeräte, und
spezieller einen verringerten Offset bei Beschleunigungsmessgeräten.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Einer
der wesentlichen Parameter, in Bezug auf welchen sich Beschleunigungsmessgeräte unterscheiden,
ist das Offsetverhalten, sowohl am Anfang und im Verlauf der Zeit
und bei Temperaturwechsel. So setzen beispielsweise in Seitenrichtung
durch Mikrobearbeitung hergestellte Beschleunigungsmessgeräte, die
eine bewegbare Masse aufweisen, typischerweise mehrere Massenaufhängungen
ein, die an einem Substrat befestigt sind, und außerhalb
der Grenzen der Masse angeordnet sind. Abtastfinger, die eine Bewegung
der Masse relativ zu den Abtastfingern messen, sind typischerweise
ebenfalls an dem Substrat außerhalb
der Grenzen der Masse befestigt, beispielsweise um die Masse herum.
Wenn der Chip einer mechanischen Spannung ausgesetzt wird, wie dies
beispielsweise infolge des Zusammenbauvorgangs und infolge Temperaturänderungen auftreten
kann, kann sich die relative Position der Masse und der Abtastfinger ändern. So
rufen normalerweise übliche
Prozessvariationen Unterschiede zwischen den Federkonstanten der
Federn hervor, die zwischen diesen Ankern und der bewegbaren Masse
angeschlossen sind. Ändert
sich die Entfernung zwischen den Ankern, kann ein Unterschied der Federkonstanten
zu einer ungleichen Verschiebung der Masse relativ zu den Ankern
führen,
wodurch die Masse relativ zu den Abtastfingern bewegt werden kann,
und dies als ein Offset interpretiert werden kann.
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Ebenso
kann das Sensormaterial innere mechanische Spannungen aufweisen,
infolge des Herstellungsvorgangs, die ebenfalls einen Offset hervorrufen
können.
Wenn beispielsweise das Material der bewegbaren Masse einem Druck
oder einem Zug ausgesetzt wird, können die Federn ungleichmäßig verstellt
werden, wodurch die Masse relativ zu den Abtastfingern bewegt werden
kann, und dies als ein Offset interpretiert werden kann. Dieser
Offset wird typischerweise durch Lasertrimmwiderstände in der Signalbehandlungsschaltung
korrigiert, oder durch Einstellung des Offsets durch eines von verschiedenen
Verfahren, sobald das Teil in ein Gehäuse eingebaut wurde. Durch
Mikrobearbeitung hergestellte Beschleunigungsmessgeräte weisen
häufig
elektromechanische Bauteile auf, die mechanisch an dem Substrat
befestigt sind. Einige dieser Bauteile können sich in Bezug auf andere
Bauteile oder das Substrat bewegen. Andere sind im Idealfall ortsfest
in Bezug auf das Substrat. Ein Beispiel für ortsfeste Bauteile sind die
festen Abtastfinger eines Seiten-Beschleunigungsmessgeräts.
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Bauteile
werden typischerweise mit dem Substrat durch einen „Anker" verbunden, der durch einen
oder mehrere Herstellungsprozesse hergestellt wird. Wenn das durch
diesen Anker aufgehängte Bauteil
groß ist
im Vergleich zu den Abmessungen des Ankers, kann auf den Anker ein
signifikantes Ausmaß von
Drehmoment oder Biegemoment in der Anwendungsumgebung einwirken.
Dieses Drehmoment oder Biegemoment kann beispielsweise durch eine
Trägheitsreaktion
auf ein mechanisches Ereignis wie beispielsweise Beschleunigung
oder Stoßbeanspruchung
hervorgerufen werden, oder durch eine elektrostatische Kraft zwischen
dem Finger und dessen Umgebung, beispielsweise eine elektrostatische Kraft,
die durch eine Spannung hervorgerufen wird, die im Normalbetrieb
angelegt wird, oder durch eine Spannung, die von einem Ereignis
einer elektrostatischen Entladung herrührt. Ein kleines Ausmaß einer Torsionsdrehung
oder Biegeverschiebung des Ankers kann zu einer großen Auslenkung
der aufgehängten
Konstruktion führen.
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Die
festen Abtastfinger sind nicht unendlich starr. Die Nettoauslenkung
an der Spitze eines Fingers ist eine Kombination aus der Biegung
des Fingers und der Biegung und Verdrillung des Ankers. Abhängig von
den Abmessungen und den mechanischen Eigenschaften des Fingers und
des Ankers kann die Verdrillung und/oder Verbiegung des Ankers ein
signifikanter oder sogar der dominante Term sein, welcher zur Auslenkung
der Spitze des Fingers beiträgt.
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Die
Verschiebung einer Beschleunigungsmessgerät-Prüfmasse auf einer Feder infolge
einer zugeführten
Beschleunigung ist gegeben durch 1/w0^2, wobei w0 gleich 2·pi·f0 ist
und f0 die Resonanzfrequenz ist. Ein Beschleunigungsmessgerät mit einer
hohen Resonanzfrequenz weist eine geringe Verschiebung pro Beschleunigungseinheit
auf. Daher führt
jeder Fehler entsprechend einer Verschiebung des Sensors zu einem
höheren
entsprechenden Offset in Einheiten der Beschleunigung bei Sensoren
mit höherer
Resonanzfrequenz. So ruft beispielsweise die Verschiebung eines
festen Fingers relativ zu dem Sensor infolge der mechanischen Spannung
eines Mikroplättchens
einen größeren anscheinenden
Offset in Geräten
mit hoher Resonanzfrequenz hervor.
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Eine
andere Ursache für
Offset ist eine Verschiebung des Sensors relativ zu dem Substrat
in Reaktion auf Anregungen über
Beschleunigung hinaus, beispielsweise mechanische Spannungen eines Mikroplättchens.
In einem Einachsen-Beschleunigungsmessgerät ist, wenn
zwei Anker, welche die Federn mit dem Substrat verbinden, entlang
der Empfindlichkeitsachse angeordnet sind, der Offset infolge einer
mechanischen Spannung eines Mikroplättchens proportional zur Entfernung
zwischen den Ankern. Normale Herstellungstoleranzen rufen Unterschiede
bei den Federkonstanten der Federn hervor, die mit jedem Anker verbunden
sind. Wenn die mechanische Spannung eines Mikroplättchens
den Abstand zwischen den Ankern ändert,
führt der
Unterschied bezüglich
der Federkonstanten eine Verschiebung des Sensors relativ zum Substrat
hervor, die als ein Offset interpretiert wird. Da die Änderung des
Abstands zwischen den Ankern proportional zur Entfernung zwischen
den Ankern für
eine vorgegebene mechanische Spannung eines Mikroplättchens ist,
ist der Offsetfehler infolge dieses Terms ebenfalls proportional
zur Entfernung zwischen den Ankern.
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Die
Beziehung zwischen dem Ankerabstand (sep), der Resonanzfrequenz
(f0), und dem Offset (OS) ist folgendermaßen: OS~sep·f0^2.
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Die
EP 1 083 430 A1 zeigt
in
1 ein Winkel-Beschleunigungsmeßgerät, das eine
Masse aufweist, die durch radiale Halterungsanordnungen gehaltert
wird, sodass sich die Masse um eine Zentrumsachse drehen kann. Die
EP 1 083 430 A1 zeigt
weiterhin in
4 ein lineares Beschleunigungsmessgerät, das eine
Masse hat, die durch Halterungsanordnungen gehaltert wird, die außerhalb
der Masse angeordnet sind.
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Die
US 5 780 740 beschreibt
eine Schwingungsanordnung, die mit einem Trägheitsobjekt versehen ist,
das durch dünne
Abschnitte der Anordnung gehaltert wird, die außerhalb des Umfangs des Trägheitsobjekts
angeordnet sind. Die effektive Steifigkeit der Anordnung wird durch
eine Elektrode gesteuert, die unter dem Trägheitsobjekt angeordnet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist ein lineares Beschleunigungsmessgerät, das die
Beschleunigung entlang einer Achse oder zwei Achsen messen kann,
ein Substrat auf, eine Masse, Massenhalterungsanordnungen, und längliche
Abtastfinger zur Erfassung einer Bewegung der Massenfinger relativ
zu den Abtastfingern. Die Masse weist einen äußeren Umfang auf, einen Hohlraum,
der einen inneren Umfang festlegt, und mehrere längliche Finger entlang einem
Abschnitt des inneren Umfangs. Die Massenhalterungsanordnungen sind
innerhalb des inneren Umfangs angeordnet, und sind an dem Substrat
durch zumindest einen Anker befestigt, der in der Nähe des Schwerpunktes
der Masse angeordnet ist, um so die Masse oberhalb des Substrats
zu haltern, und eine Bewegung der Masse relativ zum Substrat entlang
einer Achse oder zwei Achsen zu ermöglichen. Die Abtastfinger sind
im Wesentlichen Seite an Seite mit den Massenfingern innerhalb des inneren
Umfangs angeordnet, und sind an dem Substrat in der Nähe des zumindest
einen Ankers befestigt, sodass mechanische Spannungen dazu führen, dass
die Massenfinger und die Abtastfinger sich auf im Wesentlichen gleiche
Art und Weise bewegen. Die Massenhalterungsanordnungen können mehrere Aufhängungsfedern
und mehrere Halterungsarme aufweisen, wobei die Aufhängungsfedern
zwischen der Masse und den Halterungsarmen angeordnet sind, und
die Halterungsarme an dem Substrat befestigt sind. Die Halterungsarme
können
in einer kreuzförmigen
Anordnung oder einer Anordnung in Form eines „H" angeordnet sein. Die Massenhalterungsanordnungen
haltern typischerweise die Masse innerhalb des inneren Umfangs der
Masse zum äußeren Umfang
der Masse. Die Massenhalterungsanordnungen können an dem Substrat unter Verwendung
eines einzigen Ankers befestigt sein (beispielsweise eines quadratischen
Ankers), oder unter Verwendung mehrerer Anker. Die mehreren Anker
können
im Wesentlichen symmetrisch um den Schwerpunkt der Masse angeordnet
sein. Jeder Abtastfinger kann an dem Substrat unter Verwendung eines
einzelnen, länglichen
Ankers oder mehrerer Anker befestigt sein, um die Drehung des gelängten Abtastfingers um
den Anker zu verringern.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Verringerung des Offsets
in einem linearen Beschleunigungsmessgerät, das die Beschleunigung entlang
einer Achse oder zwei Achsen erfassen kann, die Ausbildung einer
Masse, die einen äußeren Umfang
aufweist, einen Hohlraum, der einen inneren Umfang festlegt, und
mehrere längliche
Fingeranordnungen entlang einem Abschnitt des inneren Umfangs; Ausbilden mehrerer
Massenhalterungsanordnungen innerhalb des inneren Umfangs der Masse;
Ausbildung mehrerer länglicher
Abtastfinger im Wesentlichen Seite an Seite mit den Massenfingern
innerhalb des inneren Umfangs der Masse zur Erfassung einer Bewegung der
Massenfinger relativ zu den Abtastfingern; Befestigen der Massenhalterungsanordnungen
an einem Substrat durch zumindest einen Anker, der in der Nähe des Schwerpunkts
der Masse angeordnet ist, um die Masse oberhalb des Substrats zu
haltern, und eine Bewegung der Masse relativ zum Substrat entlang
einer Achse oder zwei Achsen zu ermöglichen; und Befestigung der
mehreren länglichen
Abtastfinger an dem Substrat in der Nähe des zumindest einen Ankers,
sodass mechanische Spannungen dazu führen, dass sich die Massenfinger
und die Abtastfinger auf im Wesentlichen gleiche Art und Weise bewegen.
Die Massenhalterungsanordnungen können mehrere Aufhängungsfedern
und mehrere Aufhängungsarme
umfassen, wobei die Aufhängungsfedern zwischen
der Masse und den Halterungsarmen angeordnet sind, und die Halterungsarme
an dem Substrat befestigt sind. Die Halterungsarme können eine kreuzförmige Konfiguration
oder die Konfiguration eines „H" aufweisen. Die Massenhalterungsanordnungen
haltern typischerweise die Masse innerhalb des inneren Umfangs der
Masse zum äußeren Umfang der
Masse hin. Die Massenhalterungsanordnungen können an dem Substrat unter
Verwendung eines einzigen Ankers (beispielsweise eines quadratischen Ankers)
oder mehrerer Anker befestigt sein. Die mehreren Anker können im
Wesentlichen symmetrisch zum Schwerpunkt der Masse angeordnet sein.
Jeder Abtastfinger kann an dem Substrat unter Verwendung eines einzelnen
länglichen
Ankers oder mehrerer Anker befestigt sein, um eine Drehung des länglichen
Abtastfingers um den Anker zu verringern.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung weist ein geradliniges Beschleunigungsmessgerät, das eine
Beschleunigung entlang einer Achse oder zwei Achsen erfassen kann,
ein Substrat auf, eine Masse, Massenhalterungsanordnungen, und längliche
Abtastfinger zur Erfassung einer Bewegung der Massenfinger relativ
zu den Abtastfingern. Die Masse weist einen äußeren Umfang auf, einen Hohlraum,
der einen inneren Umfang festlegt, und mehrere längliche Finger entlang einem
Abschnitt des inneren Umfangs. Die Massenhalterungsanordnungen sind
innerhalb des inneren Umfangs angeordnet, und sind an dem Substrat über zumindest
einen Anker befestigt, der in der Nähe des Schwerpunkts der Masse
angeordnet ist, um so die Masse oberhalb des Substrats zu haltern,
und eine Bewegung der Masse relativ zum Substrat zu ermöglichen. Die
Abtastfinger sind im Wesentlichen Seite an Seite mit den Massenfingern
innerhalb des inneren Umfangs angeordnet, und sind an den Massenhalterungsanordnungen
in der Nähe
des zumindest einen Ankers befestigt, sodass mechanische Spannungen dazu
führen,
dass sich die Massenfinger und die Abtastfinger auf im Wesentlichen
gleiche Art und Weise bewegen. Die Abtastfinger sind typischerweise
elektrisch von den Massenhalterungsanordnungen entkoppelt. Die Massenhalterungsanordnungen
können mehrere
Aufhängungsfedern
und mehrere Halterungsarme aufweisen, wobei die Aufhängungsfedern zwischen
der Masse und den Halterungsarmen angeordnet sind, und die Halterungsarme
an dem Substrat befestigt sind. Die Halterungsarme können kreuzförmig oder
in Form eines „H" ausgebildet sein. Die
Massenhalterungsanordnungen haltern typischerweise die Masse innerhalb
des inneren Umfangs der Masse zum äußeren Umfang der Masse hin.
Die Massenhalterungsanordnungen können an dem Substrat unter
Verwendung eines einzigen Ankers (beispielsweise eines quadratischen
Ankers) oder mehrerer Anker befestigt sein. Die mehreren Anker können im
Wesentlichen symmetrisch zum Schwerpunkt der Masse angeordnet sein.
Jeder Abtastfinger kann an dem Substrat unter Verwendung eines einzelnen,
länglichen
Ankers oder mehrerer Anker befestigt sein, um eine Drehung des länglichen Messfingers
um den Anker zu verringern.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform,
die nicht als solche in den beigefügten Patentansprüchen angegeben
ist, weist ein Beschleunigungsmessgerät einen Rahmen auf, der einen äußeren Umfang
hat, einen Hohlraum, der einen inneren Umfang festlegt, und mehrere
längliche
Abtastfinger entlang einem Abschnitt des inneren Umfangs; eine Masse,
die innerhalb des inneren Umfangs des Rahmens angeordnet ist, mehrere
längliche
Finger aufweist, die im Wesentlichen Seite an Seite mit den Abtastfingern
angeordnet sind; und mehrere Aufhängungsfedern, die innerhalb
des inneren Umfangs des Rahmens angeordnet sind, um die Masse mit
dem Rahmen zu verbinden, und eine Bewegung der Masse relativ zum
Rahmen zu ermöglichen.
Die Abtastfinger sind typischerweise elektrisch von dem Rahmen entkoppelt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung weist eine durch Mikrobearbeitung hergestellte
Einrichtung ein Substrat und zumindest eine am Substrat verankerte,
durch Mikrobearbeitung hergestellte Anordnung auf, wobei die zumindest
eine durch Mikrobearbeitung hergestellte Anordnung einer Biegung
oder Verdrillung um den Ankerpunkt ausgesetzt ist, und wobei die
zumindest eine durch Mikrobearbeitung hergestellte Anordnung an
dem Substrat unter Verwendung entweder eines länglichen Ankers oder mehrerer
Anker verankert ist, um das Biegen oder Verdrillen der zumindest
einen durch Mikrobearbeitung hergestellten Anordnung um den Ankerpunkt zu
verringern. Die durch Mikrobearbeitung hergestellte Einrichtung
kann ein Beschleunigungsmessgerät
sein, wobei in diesem Fall die zumindest eine durch Mikrobearbeitung
hergestellte Anordnung ein fester Abtastfinger sein kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den beigefügten
Zeichnungen zeigt:
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1 ein
Beispiel für
ein Zweiachsen-Beschleunigungsmessgerät, das Massenhalterungsanordnungen
mit kreuzförmiger
Form aufweist, die an einem Substrat unter Verwendung eines einzelnen, zentralen
Ankers befestigt sind, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 mit
weiteren Einzelheiten einen Halterungsarm und eine Aufhängungsfeder
des in 1 gezeigten Beschleunigungsmessgeräts;
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3 mit
weiteren Einzelheiten eine Gruppe fester Abtastfinger des in 1 gezeigten
Beschleunigungsmessgeräts;
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4 einen
Abschnitt eines festen Abtastfingers, der einen einzigen, runden
Anker aufweist, wie dies im Stand der Technik bekannt ist;
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5 einen
Abschnitt eines festen Abtastfingers, der einen doppelten Anker
aufweist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 einen
Abschnitt eines festen Abtastfingers, der einen länglichen
Anker aufweist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 ein
Beispiel für
ein Einachsen-Beschleunigungsmessgerät, das Massenhalterungsanordnungen
in Form eines „H" aufweist, die an
einem Substrat unter Verwendung eines einzelnen, zentralen Ankers
verankert sind, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 ein
Beispiel für
ein Doppelachsen-Beschleunigungsmessgerät, das aus
einem Wafer des Typs Silizium auf einem Isolator (SOI) hergestellt
ist, der eine Bodenschicht aufweist, in welcher die Abtastfinger
mit den Massenhalterungsanordnungen verbunden oder einstückig hiermit
ausgebildet sind, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
9 ein
Beispiel für
ein Einachsen-Beschleunigungsmessgerät, das aus
einem Wafer des Typs Silizium auf einem Isolator (SOI) hergestellt
ist, der eine Bodenschicht aufweist, in welcher die Abtastfinger
mit dem Substrat verbunden sind, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10 ein
Beispiel für
ein Einachsen-Beschleunigungsmessgerät, das,
aus einem Wafer des Typs Silizium auf einem Isolator (SOI) hergestellt
ist, ohne eine Bodenschicht, in welchem eine Masse innerhalb eines
Rahmens aufgehängt
ist, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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11 ein
Beispiel für
ein Zweiachsen-Beschleunigungsmessgerät, das Massenhalterungsanordnungen
aufweist, die an einem Substrat unter Verwendung mehrerer Anker
verankert sind, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 ein
Beispiel für
ein Beschleunigungsmessgerät,
dessen Offset dadurch verringert ist, dass alle Anordnungen innerhalb
eines Rahmens aufgehängt
sind, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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13 die
elektrische Entkopplung der Abtastfinger von dem Rahmen bei dem
in 12 gezeigten Beschleunigungsmessgerät.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird ein Offset eines Beschleunigungsmessgerätes dadurch
verringert oder ausgeschaltet, dass Massenhalterungsanordnungen innerhalb
eines inneren Umfangs der Masse ausgebildet werden, die Massenhalterungsanordnungen an
dem Substrat durch zumindest einen Anker befestigt werden, der in
der Nähe
des Schwerpunkts der Masse angeordnet ist, und die Abtastfinger
in der Nähe
des Ankers befestigt werden. Die Massenhalterungsanordnungen können an
dem Substrat unter Verwendung eines einzigen Ankers oder mehrerer Anker
befestigt sein, die nahe aneinander angeordnet sind. Die Abtastfinger
können
an dem Substrat oder den Massenhalterungsanordnungen befestigt sein.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Masse des Beschleunigungsmessgerätes durch
verschiedene Halterungsanordnungen aufgehängt. Die verschiedenen Halterungsanordnungen
sind typischerweise innerhalb der Grenzen der Masse vorgesehen.
Die Halterungsanordnungen umfassen typischerweise verschiedene Aufhängungsfedern
und Halterungsarme. Die Aufhängungsfedern
verbinden die Masse mit den Halterungsarmen. Die Halterungsarme
werden an dem Chip unter Verwendung eines einzigen Ankers oder mehrerer
Anker eng beieinander verankert, typischerweise nahe am Schwerpunkt
der Masse.
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Bei
einem Zweiachsen-Beschleunigungsmessgerät, das vier Aufhängungsfedern
aufweist, sind die Halterungsarme typischerweise kreuzförmig ausgebildet.
Die Aufhängungsfedern
sitzen an den Enden der Halterungsarme. Die Halterungsarme können als
eine einzelne Anordnung ausgebildet sein, die an dem Chip verankert
ist, oder als individuelle Anordnungen, die getrennt mit dem Chip
verankert sind.
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Um
den Offset zu verringern, werden die Halterungsarme an dem Chip
unter Verwendung eines einzelnen Ankers oder mehrerer Anker verankert,
die nahe beieinander in der Nähe
des Schwerpunkts der Masse angeordnet sind, und sind die Messfinger
in der Nähe
des Ankers oder der Anker des Halterungsarms befestigt. Auf diese
Weise werden mechanische Spannungen des Chips im Wesentlichen von dem
Sensor entkoppelt (also der Masse, den Massenhalterungsanordnungen
und den Abtastfingern), sodass mechanische Spannungen des Chips
nicht zu einer ungleichen Verschiebung der Massenfinger und der
Abtastfinger führen.
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Die
Aufhängungsfedern
sind typischerweise weg von dem Schwerpunkt zum Umfang der Masse hin
angeordnet. Dies neigt dazu, die Drehresonanzfrequenz der Masse
um die seitlichen Achsen zu erhöhen,
und die Kontrolle der Masse zu verbessern. Im Einzelnen hängt, wenn
die Massenhalterungsanordnungen zum Schwerpunkt hin verankert sind,
die Drehresonanzfrequenz der Masse um die Seitenachsen teilweise
von der Entfernung zwischen dem Aufhängungspunkt der Masse und dem
Ankerpunkt ab, wobei die Drehresonanzfrequenz relativ niedrig ist (was
unerwünscht
ist), wenn sich der Aufhängungspunkt
nahe an dem Ankerpunkt befindet, und relativ hoch ist (was wünschenswerter
ist), wenn der Aufhängungspunkt
weit weg vom Ankerpunkt liegt. Weiterhin hängt, wenn die Aufhängungsfedern
und die Halterungsanordnungen zum Schwerpunkt hin verankert sind,
die Stabilität
der Masse teilweise von der Entfernung zwischen dem Aufhängungspunkt
der Masse und dem Ankerpunkt ab, wobei die Masse weniger stabil
ist (also mehr zum Kippen neigt), wenn der Aufhängungspunkt nahe an dem Ankerpunkt liegt,
und stabiler ist (also weniger zum Kippen neigt), wenn der Aufhängungspunkt
weit weg von dem Ankerpunkt angeordnet ist.
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Das
Beschleunigungsmessgerät
weist typischerweise eine Anzahl an Abtastfingern auf, die mit Fingern
miteinander verschränkt
sind, die einstückig mit
der Masse ausgebildet sind. Diese Abtastfinger können an dem Substrat verankert
sein, oder können mit
den Massenhalterungsanordnungen verbunden oder einstückig ausgebildet
sein. Bei einem Einachsen-Beschleunigungsmessgerät sind die festen Abtastfinger
typischerweise senkrecht zur Achse der Bewegung der Masse angeordnet.
Bei einem Zweiachsen- Beschleunigungsmessgerät sind die
festen Abtastfinger typischerweise entlang beiden Achsen ausgerichtet.
Eine Bewegung der Masse führt
dazu, dass die Position der einstückigen Finger sich relativ zu
den festen Abtastfingern ändert,
was zu einer feststellbaren Änderung
der Kapazität
führt,
die als eine Beschleunigung gemessen werden kann.
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Mechanische
Spannungen des Chips können
die Positionen der festen Abtastfinger relativ zu dem Anker oder
den Ankern des Halterungsarms bewegen, und daher relativ zu den
Massenfingern. Diese Bewegung der Massenfinger relativ zu den Abtastfingern
kann als Offset interpretiert werden. Um diesen Offset zu verringern,
können
die festen Abtastfinger an dem Substrat in der Nähe des Ankers oder der Anker
der Massenhalterungsanordnung befestigt sein, oder können alternativ
mechanisch (aber nicht elektrisch) mit dem Anker oder den Ankern
des Halterungsarms verbunden sein.
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Um
die Abtastfinger in der Nähe
des Ankers oder der Anker der Massenhalterungsanordnung zu befestigen,
ist es wünschenswert,
dass weniger feste Abtastfinger vorhanden sind, die so nah wie möglich zum
Anker oder den Ankern angeordnet sind. Damit die wenigeren, festen
Abtastfinger eine ausreichende Kapazitätsänderung zur Erfassung von Beschleunigungen
erzeugen, werden die festen Abtastfinger typischerweise länger ausgebildet.
Die längeren,
festen Abtastfinger neigen stärker
zu einer Auslenkung als kürzere
Finger, infolge einer Biegung des Fingers als auch einer Verdrillung
und Biegung um den Anker. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden mehrere Anker, oder ein einzelner länglicher
Anker, dazu verwendet, jeden festen Abtastfinger zu verankern, um
das Ausmaß der
Auslenkung zu verringern, die durch Verdrillung und Biegung hervorgerufen
wird.
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4 zeigt
einen Abschnitt eines festen Abtastfingers 402, der einen
einzelnen, runden Anker 404 aufweist, wie dies im Stand
der Technik bekannt ist. Ein Problem bei dieser Konstruktion besteht
darin, dass sie eine Drehung des Abtastfingers 402 um den
einzigen, runden Anker 404 zulässt.
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5 zeigt
einen Abschnitt eines festen Abtastfingers 502, der zwei
Anker 504 und 506 aufweist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese Doppelankerkonstruktion verringert eine
Drehung des Abtastfingers 502 um die Anker 504 und 506.
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6 zeigt
einen Abschnitt eines festen Abtastfingers 602, der einen
länglichen
Anker 604 aufweist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese längliche Ankerkonstruktion verringert
eine Drehung des Abtastfingers 602 um den Anker 604.
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1 zeigt
ein Beispiel für
ein Zweiachsen-Beschleunigungsmessgerät 100,
welches, unter anderem, eine Masse mit einstückigen Fingern 102 aufweist;
Massenhalterungsanordnungen, welche Aufhängungsfedern (104, 106, 108, 110)
und Halterungsarme (112, 114, 116, 118)
aufweisen, und feste Abtastfinger (120, 122, 124, 126).
Die festen Abtastfinger (120, 122, 124, 126)
sind gegenseitig mit den Massenfingern verschränkt ausgebildet, wobei sich typischerweise
zwei feste Abtastfinger zwischen jedem Paar von Massenfingern befinden. 2 zeigt weitere
Einzelheiten eines Halterungsarms und einer Aufhängungsfeder. 3 zeigt
weitere Einzelheiten einer Gruppe fester Abtastfinger.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind die vier Halterungsarme (112, 114, 116, 118)
in einer kreuzförmigen
Konstruktion angeordnet, die an dem Substrat (nicht gezeigt) durch
einen einzigen, quadratischen Anker 128 verankert ist,
der an dem Punkt angeordnet ist, wo sich die vier Halterungsarme
treffen. Unter anderem verringert der quadratische Anker das Ausmaß des Biegens
oder Verdrillens um den Anker durch das Drehmoment, das von den
Halterungsarmen erzeugt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die
vorliegende Erfindung keinesfalls auf einen einzigen Anker beschränkt ist,
oder auf das Verankern am Schwerpunkt der Masse.
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Wie
in 2 gezeigt, ist eine Aufhängungsfeder mit dem Ende jedes
Halterungsarms und mit der Masse verbunden. Die Aufhängungsfedern
sind serpentinenförmig
ausgebildet. Die Aufhängungsfedern
sind weg von dem zentralen Anker und zum Umfang der Masse 102 hin
angeordnet.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind die festen Abtastfinger so angeordnet, dass ihre Ankerpunkte nahe
an dem Anker oder den Ankern des Halterungsarms angeordnet sind.
Daher sind die festen Abtastfinger so hergestellt, dass sie sich
nach außen
von den Abschnitten in Form eines „V" zwischen jedem Paar von Halterungsarmen
entlang den beiden seitlichen Achsen der Bewegung der Masse erstrecken. Um
die Anzahl fester Abtastfinger und die mittlere Entfernung zwischen
den Ankern der festen Abtastfinger und dem Anker oder den Ankern
des Halterungsarms zu verringern, sind die festen Abtastfinger länglich ausgebildet.
Die längeren
Abtastfinger neigen eher zu einer Drehung um den Ankerpunkt. Daher
sind bei dieser Ausführungsform
die festen Abtastfinger an dem Substrat unter Verwendung länglicher
Anker oder Doppelanker befestigt, um die Drehung um den Anker zu
verringern.
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11 zeigt
ein weiteres Beispiel für
ein Zweiachsen-Beschleunigungsmessgerät, das unter anderen
eine Masse mit vereinigten Fingern 1102 aufweist; Massenhalterungsanordnungen, die
Aufhängungsfedern
(1104, 1106, 1108, 1110) und
Halterungsarme (1112, 1114, 1116, 1118)
aufweisen, und feste Abtastfinger (1120, 1122, 1124, 1126).
Die festen Abtastfinger (1120, 1122, 1124, 1126)
sind gegenseitig mit den Massenfingern verschränkt, wobei typischerweise zwei
feste Abtastfinger zwischen jedem Paar von Massenfingern vorgesehen
sind.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind die vier Halterungsarme (1112, 1114, 1116, 1118)
einzeln an dem Substrat durch einen Anker 1128, 1130, 1132 bzw. 1134 verankert.
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7 zeigt
ein Beispiel für
ein Einachsen-Beschleunigungsmessgerät 700,
bei welchem die Massenhalterungsanordnungen eine Konfiguration in
Form eines „H" aufweisen, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Beschleunigungsmessgerät 700 weist
eine Masse mit vereinigten Fingern 702 auf, Massenhalterungsanordnungen 704,
die an dem Substrat (nicht gezeigt) verankert sind, durch einen
einzigen Anker 710, der in der Mitte der Ausbildung in
Form eines „H" angeordnet ist,
und Abtastfinger 706 und 708, die an dem Substrat
befestigt sind. Die Masse 702 ist durch eine Aufhängungsfeder
am Ende jedes Halterungsarms gehaltert.
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Die
festen Abtastfinger 706 und 708 sind vorzugsweise
so angeordnet, dass ihre Verankerungspunkte nahe an dem zentralen
Anker 710 für
die Massenhalterungsanordnungen 704 angeordnet sind. Daher
werden die festen Abtastfinger 706 und 708 so
hergestellt, dass sie von den Abschnitten in Form eines „U" sich nach außen zwischen
jedem Paar von Halterungsarmen senkrecht zur Achse der Bewegung
der Masse erstrecken. Um die Anzahl an festen Abtastfingern und
die mittlere Entfernung zwischen den Ankern der festen Abtastfinger
und dem Anker oder den Ankern des Halterungsarms zu verringern,
sind die festen Abtastfinger länglich
ausgebildet, und werden unter Verwendung eines einzelnen, länglichen
Ankers oder eines doppelten Ankers verankert, um eine Drehung des
Abtastfingers um den Anker zu verringern.
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12 zeigt
ein Beispiel für
ein Beschleunigungsmessgerät 1200,
bei welchem ein Offset dadurch verringert wird, dass sämtliche
Anordnungen innerhalb eines Rahmens 1202 aufgehängt sind.
Der Rahmen 1202 weist einen Außenumfang auf, einen Hohlraum,
der einen Innenumfang festlegt, und mehrere längliche Abtastfinger 1204 entlang
einem Abschnitt des inneren Umfangs. Eine Masse 1206 ist
innerhalb des inneren Umfangs des Rahmens 1202 angeordnet.
Die Masse 1206 weist mehrere längliche Finger 1208 auf,
die im Wesentlichen Seite an Seite mit den Abtastfingern 1204 angeordnet
sind. Die Masse 1206 ist von dem Rahmen 1202 an
beiden Enden durch zwei Federn 1210 und 1212 abgehängt, die
mit dem Rahmen 1202 jeweils an einer Brücke 1214 bzw. 1216 verbunden
sind. Die gesamte Anordnung, einschließlich des Rahmens 1202 mit
Abtastfingern 1204, der Masse 1206 mit Fingern 1208,
der Federn 1210 und 1212, und der Brücken 1214 und 1216 wird
typischerweise aus einem einzigen Wafer hergestellt, und ist selbst
gegenüber
anderen Bauteilen an einer Brücke 1218 abgehängt. Es
wird darauf hingewiesen, dass Bauteile innerhalb des Rahmens 1202 senkrecht
zu der dargestellten Achse ausgerichtet sein können.
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Bei
Ausführungsformen
der Erfindung sind die festen Abtastfinger elektrisch in verschiedenen Anordnungen
gekoppelt, um Beschleunigungen unter Verwendung von Änderungen
der Kapazität
infolge einer Bewegung der Masse zu erfassen. Weiterhin kann das
durch Mikrobearbeitung hergestellte Beschleunigungsmessgerät aus unterschiedlichen Arten
von Wafern hergestellt werden, einschließlich Siliziumwafern, Polysiliziumwafern,
einfach gestapelten Wafern mit Silizium auf einem Isolator (SOI),
und mehrfach gestapelten SOI-Wafern. Wenn das durch Mikrobearbeitung
hergestellte Beschleunigungsmessgerät aus SOI-Wafern hergestellt
wird, die eine Bodenschicht aufweisen, können die festen Abtastfinger
durch die Bodenschicht verankert werden, um elektrische Verbindungen
zu den festen Abtastfingern sicher auszubilden.
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8 zeigt
ein Beispiel für
eine Ausführungsform
eines Beschleunigungsmessgeräts,
bei welchem die Abtastfinger mit den Massenhalterungsanordnungen
verbunden oder einstückig
ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform weisen die Massenhalterungsanordnungen
eine kreuzförmige
Ausbildung auf, und erstrecken sich die Abtastfinger nach außen von
den Massenhalterungsanordnungen. Bei dieser Konstruktion müssen die
Abtastfinger elektrisch von den Massenhalterungsanordnungen entkoppelt
werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden
die Abtastfinger elektrisch von den Massenhalterungsanordnungen unter
Verwendung eines SOI-Wafers mit einer Bodenschicht entkoppelt, wobei
Gräben
um die Abtastfinger herum ausgebildet werden.
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9 zeigt
ein Beispiel für
eine Ausführungsform
eines Beschleunigungsmessgeräts,
bei welchem die Abtastfinger mit dem Substrat verbunden sind. Ein
SOI-Wafer mit einer Bodenschicht wird dazu verwendet, elektrische
Verbindungen zu den Abtastfingern zur Verfügung zu stellen.
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13 zeigt
das Beschleunigungsmessgerät 1200 mit
elektrisch isolierenden Gräben 1302,
die in dem SOI-Wafer um jeden Abtastfinger herum vorgesehen sind,
um elektrisch jeden Abtastfinger von dem Rahmen 1202 zu
entkoppeln.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
die Art und Weise beschränkt
ist, auf welche die Massenhalterungsanordnungen an dem Substrat
verankert sind. Die Massenhalterungsanordnungen können unter
Verwendung eines einzigen Ankers oder mehrerer Anker verankert sein.
Der oder die Anker können
im Schwerpunkt oder entfernt vom Schwerpunkt angeordnet sein. Bei Anordnung
entfernt vom Schwerpunkt ist die Anordnung der Anker typischerweise
symmetrisch um den Schwerpunkt, jedoch ist dies nicht erforderlich.
Der Anker kann jede Form aufweisen, einschließlich, jedoch nicht hierauf
beschränkt,
rund, quadratisch oder länglich.
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Die
vorliegende Erfindung kann in anderen speziellen Ausbildungen verwirklicht
werden, ohne vom wahren Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch
die beigefügten
Patentansprüche
festgelegt ist. Die geschilderten Ausführungsformen sollten in jeglicher
Hinsicht nur als erläuternd,
jedoch nicht als einschränkend
verstanden werden.