EP3069148A1 - Inertialsensor - Google Patents

Inertialsensor

Info

Publication number
EP3069148A1
EP3069148A1 EP14793064.8A EP14793064A EP3069148A1 EP 3069148 A1 EP3069148 A1 EP 3069148A1 EP 14793064 A EP14793064 A EP 14793064A EP 3069148 A1 EP3069148 A1 EP 3069148A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
substrate layer
sensor element
inertial sensor
inertial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14793064.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ricardo Ehrenpfordt
Daniel Pantel
Frederik ANTE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3069148A1 publication Critical patent/EP3069148A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/003—Details of instruments used for damping
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5783—Mountings or housings not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0862—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system
    • G01P2015/0882—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system for providing damping of vibrations

Definitions

  • the present invention relates to an inertial sensor.
  • Inertial sensors are used to record accelerations and yaw rates. There is a tendency to arrange the inertial sensors in ever smaller housings.
  • inertial sensor elements can be operated in different frequency ranges. Different types of attachment for the initial sensor elements have different damping properties in the different frequency ranges.
  • Different types of attachment for the initial sensor elements have different damping properties in the different frequency ranges.
  • Inertialsensor with several different sensor elements each sensor element are mounted so that its specific mounting has good damping properties in the frequency range of the sensor element.
  • signals of the sensor elements of the inertial sensor can have the least possible superimposition due to interspersed vibrations.
  • By the slight overlay events to be recorded can be imaged in the signals without interference and evaluated with a high level of security.
  • An inertial sensor having the following features is presented: a first sensor element, which is vibration-damped by an attenuation element in relation to an interface of the inertial sensor, wherein the first sensor element is designed to detect a first measured variable in a first frequency band and the attenuation element is designed, at least attenuate vibrations in the first frequency band; and a second sensor element that is mechanically coupled to the interface, wherein the second sensor element is configured to detect a second measured variable in a second frequency band.
  • An inertial sensor may be understood as meaning a sensor for detecting at least one acceleration and / or at least one yaw rate.
  • the inertial sensor can be designed to accelerations in several mutually angularly offset axes and / or rotation rates by several
  • the inertial sensor can be designed to detect accelerations in three spatial directions and / or rotation rates about the three spatial directions.
  • the first sensor element may have a first operating point in the first frequency band.
  • at least one sensor body of the first sensor element with a first
  • Frequency be vibrated within the first frequency band.
  • the second sensor element may have a second operating point in the second frequency band.
  • an at least one sensor body of the second sensor element can be caused to oscillate at a second frequency within the second frequency band.
  • the damping element may be designed to pass an amplitude of a parasitic oscillation, at least within the first frequency range, downsized to the first sensor element.
  • the first sensor element and / or the second sensor element may be multiaxial. As a result, the first measured variable and / or the second
  • Measured variable can be detected in several directions.
  • the first sensor element can be coupled undamped to the interface.
  • the inertial sensor can have a smaller amplitude increase of the exciting oscillations within the first frequency range in an undamped state, than in a damped state.
  • the damping element may be formed as a flexible beam structure, which connects a part of the inertial sensor coupled to the interface with a vibratable part of the inertial sensor, wherein the first
  • Beam structure may be formed as a bending springs. The longer the bars, the softer the second sensor element can be stored.
  • the beam structure may bridge a gap disposed between an annular peripheral ring coupled to the interface of the inertial sensor and a vibratory island, wherein a beam of the
  • Beam structure connects a side surface of the island with an aligned transversely to the side surface of the inner surface of the ring. By connecting transversely aligned surfaces, the beams can perform movements in several spatial directions. This can also cause vibrations in several
  • An additional soft material may be disposed between the beams of the beam structure.
  • the damping system can be optimally designed and it can in particular the amplitude of the
  • Damping material also easily over the substrate plane survive or stand back below the substrate level.
  • the damping material can completely cover the beams, the island and partly the frame on at least one side of the substrate plane.
  • the inertial sensor may have a first substrate layer and at least one second substrate layer, wherein the substrate layers are arranged in different planes and the first sensor element is arranged on the first substrate layer and the second sensor element is arranged on the second substrate layer.
  • the damped suspended sensor element are protected by the undamped sensor element of the inertial sensor.
  • At least one middle substrate layer may be arranged between the first substrate layer and the second substrate layer, the middle substrate layer spacing the first substrate layer from the second substrate layer and forming a cavity between the first substrate layer and the second substrate layer.
  • a cavity can be created in a simple manner as a space for movements of the first sensor element.
  • the substrate layers may be interconnected by solder balls, wherein the solder balls form an electrical contact and / or a mechanical contact. By solder balls, a cohesive contact can be achieved.
  • a sealing device for sealing the cavity can be arranged between the substrate layers.
  • the sealing device can protect the first sensor element from contamination.
  • At least one of the substrate layers may have an annular peripheral foot to define a spacing between the substrate layers and form the cavity.
  • the foot can define for a defined distance between the substrate layers.
  • the first sensor element and the second sensor element can be arranged on a substrate. By arranging side by side, a low overall height of the inertial sensor can be achieved.
  • the first sensor element and / or the second sensor element may comprise an integrated circuit for processing sensor signals of the first
  • the sensor signal can be filtered. By filtering, the rotation rates and / or accelerations to be detected can be reliably detected.
  • the first sensor element may be an acceleration sensor and the second sensor element may be a rotation rate sensor or vice versa.
  • FIG. 1 is a sectional view of an inertial sensor according to a
  • Fig. 2 is an illustration of a lower substrate layer with a
  • Fig. 3 is a representation of a central substrate layer according to a
  • Fig. 4 is an illustration of an upper substrate layer with a second
  • FIG. 5 shows an illustration of an inertial sensor with a sealing device made of filler according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a sectional view of an inertial sensor with a
  • a sealing device made of solder material according to an embodiment of the present invention made of solder material according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an illustration of a lower substrate layer with one with a
  • a sealing device made of solder material according to an embodiment of the present invention made of solder material according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is an illustration of a middle substrate layer with one with a
  • a sealing device made of solder material according to an embodiment of the present invention is a sectional view of an inertial sensor with a circumferential foot at the upper substrate level according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a sectional view of an inertial sensor with a circumferential foot at the lower substrate level according to an embodiment of the present invention
  • 1 1 is a sectional view of an inertial sensor with a connection of the lower substrate plane with the upper substrate plane by solder balls according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 12 is an illustration of an upper substrate layer with side by side
  • FIG. 13 is a sectional view of an inertial sensor with a damped first sensor element and an undamped second sensor element on a substrate plane according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 15 is an illustration of a bottom of an inertial sensor with a
  • the inertial sensor 100 has a damper system.
  • the overall system 100 consists of three parts 102, 104, 106, a lower substrate layer 102, here with a sensor 108, a middle substrate layer 104 for the electrical and mechanical connection and an upper substrate layer 106 and with a further sensor 10.
  • a substrate layer may include a plurality of metallization levels and vias.
  • the lower substrate layer 102 consists of an island 1 12, which is circumferentially enclosed by a ring 1 14.
  • the island 1 12 and the ring 1 14 are connected to each other via spring strut 16 consisting of printed circuit board material mechanically and electrically.
  • spring strut 16 consisting of printed circuit board material mechanically and electrically.
  • MEMS microelectromechanical sensor element
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the evaluation is done over only one
  • ASIC application specific integrated circuit
  • strut 1 16 external mechanical vibrations in a certain frequency spectrum only attenuated to the island 1 12 transmitted.
  • the lower substrate layer 102 is electrically and mechanically connected by soldering to another printed circuit board (for example a control device).
  • the exact shape of the strut 1 16 is arbitrary. Here is shown by way of example only a variant.
  • the MEMS 108 and / or ASICs 1 18 by gluing and wire bonding or flip-chip soldering or
  • the middle substrate layer 104 includes electrical vias 120 and possibly electrical lines. In addition, it serves for the electrical and mechanical connection of the upper 106 and lower 102 substrate layer, while ensuring the necessary stand-off of the upper substrate layer 106 of the MEMS 108 and / or ASIC 1 18 on the lower substrate layer 102.
  • the individual substrate layers 102, 104, 106 are mechanically and electrically connected to each other.
  • the upper substrate layer 106 consists of a printed circuit board with
  • Metallization surfaces and at least one MEMS 1 10 and / or at least one ASIC 122 which are also mechanically and electrically connected by means of gluing and wire bonding or flip-chip soldering or Leitkleben with the lower substrate layer 102 and the island 1 12.
  • the sensors 110 on the upper side can be protected by thermosetting spraying (molding) of molding compound 124 or with a cover 124.
  • FIG. 1 is a sectional view of an inertial sensor 100 according to an embodiment of the present invention.
  • Inertial sensor 100 has a first sensor element 108 and a second
  • the first sensor element 108 is a through
  • the first sensor element 108 is designed to detect a first measured variable in a first frequency band.
  • the damping element 1 16 is designed to damp vibrations at least in the first frequency band.
  • the second sensor element 110 is mechanically coupled to the interface 126.
  • the second sensor element 110 is designed to detect a second measured variable in a second frequency band.
  • the second sensor element 110 is coupled to the interface 126 without attenuation.
  • the damping element 1 16 is formed as a flexible beam structure 1 16 having a coupled to the interface 126 of the inertial sensor 100 with a vibratory part 1 12 of the Inertialsensors 100 connects, wherein the first sensor element 108 is connected to the oscillatory member 1 12.
  • the beam structure 1 16 bridges a gap which is arranged between an annular circumferential, coupled to the interface 126 ring of the inertial sensor 100 and a vibratory island 1 12.
  • a beam 16 of the beam structure 16 connect a side surface of the island 112 with an inner surface of the ring oriented transversely to the side surface.
  • the inertial sensor 100 has a first one
  • Substrate layer 102 and at least one second substrate layer 106 wherein the substrate layers 102, 106 are arranged in different planes and the first sensor element 108 is disposed on the first substrate layer 102 and the second sensor element 1 10 is disposed on the second substrate layer 106.
  • At least one middle substrate layer 104 is arranged between the first substrate layer 102 and the second substrate layer 106, the middle substrate layer 104 spacing the first substrate layer 102 from the second substrate layer 106, and a cavity between the first substrate layer
  • Substrate layer 102 and the second substrate layer 106 forms.
  • the substrate layers 102, 104, 106 are connected to one another by solder balls, wherein the solder balls form an electrical contact and / or a mechanical contact.
  • the first sensor element 108 is a
  • the first sensor element 108 is a
  • Rotation rate sensor 1 10 the sensor elements 108, 110 and / or the electrical circuits 1, 18, 122 are connected to the substrate layers 102, 106 by bonding wires 128.
  • the substrate layers 102, 104, 106 are formed from a substrate 130.
  • the first sensor element 108 and / or the second sensor element 1 10 has an integrated circuit 1 18, 122 for processing sensor signals of the first sensor element 108 and / or of the second sensor element 110.
  • FIG. 1 shows a package stacking for the selective damping of inertial sensors 108, 110.
  • the first sensor element 108 is decoupled by a vibration decoupling system.
  • Vibration decoupling system is composed of an inner substrate part 1 12 and an outer annular substrate part, wherein the two substrate parts are connected via beam-like structures 1 16.
  • Vibration decoupling system is mounted below a substrate 106 of the second sensor element 110 and decouples the first sensor element 108 from the next level, such as a controller, scattering vibrations. It is thus a vibration decoupling on I st-level substrate level.
  • the presented here spring structure 1 16 is for the damping of a
  • FIG. 2 shows a representation of a lower substrate layer 102 with a
  • the lower substrate layer 102 or substrate plane 102 essentially corresponds to the lower substrate layer in FIG. 1.
  • the lower substrate layer 102 is designed as an annularly closed edge 200, which is separated from the island 12 by a gap 202.
  • the edge 200 is here square-shaped and has a plurality of electrical and / or mechanical contact points 204.
  • the contact points 204 are formed as solder balls 204.
  • the contact points 204 are arranged in a single row along the edge 200.
  • the island 1 12 is here also square shaped.
  • the gap 202 is circumferentially uniformly wide.
  • the gap 202 is bridged by four beam structures 1 16. Depending on a beam structure 1 16 connects an inner side of the edge 200 with a transverse thereto arranged outside of the island 1 12. In this case, the beam structure 1 16 has a meandering shape. In the illustrated embodiment, the beam structure 1 16 three rectangular
  • the four beams 16 of the beam structure 1 16 together substantially form a ring concentric with the edge 200, which is arranged within the gap 202.
  • the ring is four times slotted.
  • the four parts of the ring each have at one end a connection to the edge 200 and at an opposite second end a connection to the
  • Island 1 12 on. Within the bars 1 16 metallic structures are arranged, which serve as conductor tracks for connecting the first sensor element 108 and / or for influencing a spring rate of the beam structures 1 16.
  • the first sensor element 108 is arranged centrally on the island 1 12.
  • Evaluation electronics 1 18 is also centered on the island 1 12 between the first
  • Sensor element 108 and the lower substrate layer 102 is arranged.
  • Sensor element 108 and evaluation electronics 1 18 are electrically connected via the conductor tracks in the beam structures with at least one selection of the contact points 204.
  • FIG. 3 shows an illustration of a middle substrate layer 104 according to an embodiment of the present invention.
  • the middle substrate layer 104 essentially corresponds to the middle substrate layer in FIG. 1.
  • the middle substrate layer 104 essentially corresponds to the edge of the lower substrate layer in FIG. 2.
  • the edge 200 of the middle substrate layer 104 has a
  • the Contact points 204 are formed as solder balls 204.
  • the contact points 204 are arranged in a single row along the edge 200.
  • the contact points 204 are arranged corresponding to the contact points of the lower substrate layer. 4 shows a representation of an upper substrate layer 106 with a second one
  • the upper substrate layer 106 essentially corresponds to the upper substrate layer in FIG. 1.
  • the upper substrate layer 106 is here like the lower substrate layer in FIG. 2 and the middle substrate layer in FIG. 3 square.
  • the dimensions of the upper substrate layer 106 correspond to the lower and middle substrate layers.
  • the upper substrate layer 106 also has electrical and / or mechanical contact points. The contact points are over
  • Via contacts 120 are guided on an upper side of the upper substrate layer 106 shown here.
  • Transmitter 122 are electrically via tracks in the upper
  • Substrate layer 106 connected to the vias 120.
  • MEMS sensors 108, 1 10 Susceptibility to failure of MEMS sensors 108, 1 10 presented at the installation site.
  • the sensors 108, 110 for example an acceleration sensor 110 and a yaw rate sensor 108 are only selectively decoupled from vibrations, so that a clear performance
  • the module 100 presented here consists of a plurality of electrically and mechanically connected substrate layers 102, 104, 106, which enclose a cavity.
  • a cavity is at least one of the six pages which the
  • the lower substrate layer 102 consists of two parts. An island 1 12 and a circumferential closed ring 200. Both parts, island 1 12 and ring 200, are connected to each other via thin beam-like structures 1 16 mechanically and electrically. These beam-like structures 1 16 are designed so that vibrations from the
  • Island 1 12 to the ring 200 or the other way decoupled.
  • the upper substrate layer 106 is connected to the circumferentially closed ring 200 of the lower substrate layer 102 and thus in the installed state with a
  • the middle substrate layer 104 connects the upper 106 and lower
  • Substrate layers 102 mechanically and electrically and may optionally be replaced by solder balls 204.
  • All of the substrate layers 102, 104, 106 include metallized pads 204 for electrical and mechanical coupling to the other substrate layers 102, 104, 106, components, or other circuit boards, such as an ESP controller.
  • All substrate layers 102, 104, 106 may include metallization layers.
  • electrical signals can be passed through vias 120 through the individual substrate layers 102, 104, 106.
  • the upper substrate layer 106 and the lower substrate layer 102 are equipped with at least one MEMS 108, 1 10 / ASIC 1 18, 122.
  • the sensor elements 108, 110 and / or evaluation electronics 18, 122 can be installed in flip-chip technology. Likewise, the sensor elements 108, 1 10 and / or evaluation electronics 1 18, 122 can be mounted by gluing and wire bonds 128 or by Leitkleben.
  • the MEMS 1 10 / ASIC 122 on the upper substrate layer 106 are provided with molding compound 124 or a cover 124
  • Substrate layer 102 may be preceded by a glob-top (potting on chip)
  • the approach presented here presents a compact structure 100 for the selective decoupling of mechanical vibrations.
  • the first sensor element 108 for example a yaw rate sensor 108
  • the second sensor element 1 for example a
  • Acceleration sensor 1 10 is hard-connected.
  • the hard connection is made by a direct mounting on the upper substrate layer 106.
  • the resulting transmission functions at the sensors 108, 110 are therefore different.
  • the first sensor element 108 thus has a high attenuation at 20-30 kHz, whereas the second sensor element 110 does not have an elevation at low frequencies (2-5 kHz).
  • the approach presented here can be a cost effective
  • Accelerometer 1 10 are used. Noise at low frequencies is not expected.
  • the resonant frequency of the spring structure 1 16 is only by the
  • the ground on the island 1 12 of the lower substrate layer 102 is composed of a mass of the first sensor element 108 plus the optional one
  • Transmitter 1 18 is relatively low, so that the center of gravity of this island 1 12 from the substrate 130 and the sensor element 108 plus the
  • Transmitter 1 18 is relatively close to the pivot point of the island 1 12. Thus, the system is balanced and an inexpensive sensor 108 with higher spin sensitivity can be used.
  • the spring system 16 is softer and thus the resulting damping for the same strut structures at a certain frequency above the resonant frequency of the damper higher.
  • FIGS. 1 to 4 show plan views and a section of the sensor system 100 with selective damping of the second sensor element 108.
  • 5 shows a representation of an inertial sensor 100 with a
  • Sealer 600 made of filler according to an embodiment of the present invention.
  • the inertial sensor 100 essentially corresponds to the inertial sensor in FIG. 1.
  • a first sealing layer 600 is disposed between the lower substrate layer 102 and the middle substrate layer 104.
  • a second sealing layer 600 is between the middle
  • Substrate layer 104 and the upper substrate layer 106 is arranged.
  • Sealing layers 600 seal gaps between the solder balls 204 to make it difficult for contaminants to enter the void between the lower substrate layer 102 and the upper substrate layer 106.
  • a sealing device 600 for sealing off the cavity is arranged between the substrate layers 102, 104, 106.
  • the sealing device 600 is made of an electrically insulating filler 600.
  • the filler 600 seals the cavity.
  • FIG. 6 shows a sectional view of an inertial sensor 100 with a
  • a sealing device 600 made of solder material according to an embodiment of the present invention The inertial sensor 100 essentially corresponds to the inertial sensor in FIG. 1.
  • a first solder ring 600 is arranged between the lower substrate layer 102 and the middle one
  • Substrate layer 104 is arranged. Furthermore, a second solder ring 600 is arranged between the middle substrate layer 104 and the upper substrate layer 106 as sealing device 600. The solder rings 600 are outside the
  • FIG. 7 shows an illustration of a lower substrate layer 102 having a soldering material with a sealing device 600 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the lower substrate layer 102 essentially corresponds to the lower substrate layer in FIG. 7.
  • the sealing device 600 is designed as a solder ring 600 that extends around the outside of the contact devices in an annular manner.
  • Lotring 600 provides additional mechanical and / or electrical connection to the middle or upper substrate plane.
  • FIG. 8 shows a representation of a central substrate layer 104 with a soldering material with a sealing device 600 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the middle substrate layer 104 essentially corresponds to the middle substrate layer in FIG. 7.
  • the sealing device 600 is designed as a solder ring 600 that extends around the outside in an annular manner around the contact devices.
  • the solder ring 600 provides additional mechanical and / or electrical connection to the upper and / or lower substrate plane.
  • An alternative lateral sealing can also be achieved if a solder ring 600 which encircles the solder balls 204 is also introduced on the middle substrate plane 104.
  • FIG. 9 shows a sectional representation of an inertial sensor 100 with a circumferential foot 1000 on the upper substrate plane 106 in accordance with FIG.
  • the inertial sensor 100 essentially corresponds to the inertial sensor in FIG. 1.
  • the inertial sensor has only a lower substrate layer 102 and an upper substrate layer 106.
  • the upper substrate layer has a circumferential foot 1000, which produces a plane offset of the contact devices 204 to a lower side of the upper substrate layer 106. Due to the plane offset, the upper substrate layer 106 is spaced from the lower substrate layer 102 in the region of the sensor elements 108, 110.
  • the cavity is arranged between the substrate layers 102, 106.
  • the plated-through holes 120 run in order to electrically connect the second sensor element 110 to the interface 126.
  • FIG. 10 shows a sectional representation of an inertial sensor 100 with a circumferential foot 1000 on the lower substrate plane 102 in accordance with FIG.
  • the inertial sensor 100 Corresponds essentially to the inertial sensor in Fig. 10.
  • the foot 1000 is here part of the lower substrate plane 102nd
  • At least one of the substrate layers 102, 106 has an annular encircling foot 1000 to define a spacing between the substrate layers 102, 106 and form the cavity.
  • the middle substrate layer can be saved.
  • the blind hole design shown can be realized by deep milling or by pressing with NoFlow prepreg.
  • Fig. 1 1 shows a sectional view of an inertial sensor 100 with a
  • the inertial sensor 100 essentially corresponds to the inertial sensor in FIG. 1.
  • the inertial sensor has only a lower substrate layer 102 and an upper substrate layer 106.
  • the middle substrate layer is replaced by solder balls 1200.
  • the solder balls 1200 have a larger diameter than the solder balls of the interface 126.
  • the diameter of the solder balls, the lower substrate layer 102 and the upper substrate layer 106 are held at a predetermined distance from each other. The distance defines a height of the cavity of the sensor 100.
  • solder balls 1200 of an adapted diameter may also be used to create the stand-off of the upper substrate layer 106.
  • FIG. 12 shows an illustration of an upper substrate layer 106 with a second sensor element 1 10 arranged next to one another and evaluation electronics 122 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the upper substrate layer 106 essentially corresponds to the upper substrate layer in FIG. 4.
  • both the evaluation electronics 122 and the second sensor element 110 are arranged directly on the upper substrate layer 106.
  • the second Sensor element 1 10 is connected via wire bonds 128 to the transmitter 122.
  • FIG. 12 another embodiment is shown showing an alternative arrangement of the MEMS 1 10 / ASIC 122.
  • No surface for structuring the beam-like structures has to be provided on the upper substrate layer 106, so that the usable area for the application of MEMS 1 10 / ASIC 122 is greater in comparison with the lower substrate layer. Therefore, the MEMS 1 10 / ASIC 122, for example, need not be stacked on top of each other but can be juxtaposed to reduce the overall height of the damper system.
  • FIG. 13 shows a sectional view of an inertial sensor 100 with a damped first sensor element 108 and an undamped second sensor element 110 on a substrate plane 1400 according to FIG
  • the damping structure 1 16 is machined out of the substrate layer 1400.
  • the damping structure 16 essentially corresponds to the damping structure described in the preceding exemplary embodiments.
  • the substrate plane 1400 has plated-through holes 120, which connect the evaluation electronics 1 18 to an interface 126 on an opposite side of the substrate plane 1400.
  • the inertial sensor 100 has a cover 1402 which encloses a cavity in which the first sensor element 108, the second sensor element 110 and the
  • Evaluation electronics 1 18 are arranged.
  • the first sensor element 108 is spaced from the lid 1402 to be vibratable.
  • the first sensor element 108 and the second sensor element 110 are arranged on a substrate 1400.
  • Substrate 1400 with a cover 1402, such as plastic or metal housed.
  • the rotation rate sensor 108 is disposed on the island 1 12 and connected to wire bonds 128 directly to an ASIC 1 18 on the hard-bonded substrate side.
  • the first sensor element 108 and an extra ASIC may be disposed on the island 1 12.
  • the electrical connection can extend via the strut 1 16 to the solder balls 204 in the frame.
  • only the first sensor element 108 can be arranged on the island 1 12.
  • Wire bonds 128 may extend from the first sensor element 108 to the island 12. From there, a rewiring via the strut 1 16 done to the frame.
  • a flip-chip mounting of the sensors 108, 1 10 is possible.
  • the strut 1 can contain 16 copper, so even if wire bonds
  • the copper can be used to influence the resonant frequency and the cant of the spring-mass system.
  • an additional cover can be arranged as particle protection from the underside over the subregion of the island structure 1 12.
  • FIG. 14 shows an illustration of an upper side of an inertial sensor 100 with a damped first sensor element 108 and an undamped second sensor element 110 on a substrate plane 1400 according to one
  • the inertial sensor 100 essentially corresponds to the inertial sensor in FIG. 14.
  • the structure of the damping element 16 is shown as shown in FIG.
  • the undamped second sensor element 110 and the evaluation electronics 18 are arranged next to the first sensor element 108, which is mounted so as to be damped by the damping element 16.
  • the first sensor element 108 is connected by wire bonds 128 directly to the
  • FIG. 15 shows an illustration of a lower side of an inertial sensor 100 with a damped first sensor element and an undamped second one Sensor element on a substrate level 1400 according to an embodiment of the present invention.
  • the inertial sensor 100 essentially corresponds to the inertial sensor in FIG. 14.
  • the interface 126 is illustrated which ensures electrical contact and, alternatively or additionally, mechanical contact of the inertial sensor 100 with a mounting surface.
  • Interface 126 is formed here in the area of the evaluation electronics as a grid of solder balls 204. In the region of the damping element 1 16, the interface is formed as a single row around the damping element 1 16 circumferential line of solder balls 204. In the area of the transmitter, the
  • Interface 126 both the mechanical contact, and the electrical
  • the interface 126 in particular provides the mechanical contact.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Inertialsensor (100) mit folgenden Merkmalen: Einem ersten Sensorelement (108), das durch ein Dämpfungselement (116) gegenüber einer Schnittstelle (126) des Inertialsensors (100) schwingungsgedämpft ist, wobei das erste Sensorelement (108) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Frequenzband eine erste Messgröße zu erfassen und das Dämpfungselement (116) dazu ausgebildet ist, zumindest in dem ersten Frequenzband Schwingungen zu dämpfen; und einem zweiten Sensorelement (110), das mechanisch mit der Schnittstelle (126) gekoppelt ist, wobei das zweite Sensorelement (110) dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Frequenzband eine zweite Messgröße zu erfassen.

Description

Beschreibung
Titel
Inertialsensor Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Inertialsensor.
Inertialsensoren dienen zum Erfassen von Beschleunigungen und Drehraten. Dabei besteht eine Tendenz, die Inertialsensoren in immer kleineren Gehäusen anzuordnen.
Die DE 10 2010 029 709 A1 beschreibt ein mikroelektromechanisches
Bauelement.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Inertialsensor gemäß dem Hauptanspruch vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Verschiedene Typen von Inertialsensorelementen können in verschiedenen Frequenzbereichen betrieben werden. In den verschiedenen Frequenzbereichen weisen unterschiedliche Befestigungsarten für die Initialsensorelemente unterschiedliche Dämpfungseigenschaften auf. Vorteilhafterweise kann in einem
Inertialsensor mit mehreren verschiedenen Sensorelementen jedes einzelne Sensorelement so befestigt werden, dass seine spezifische Befestigungsart gute Dämpfungseigenschaften im Frequenzbereich des Sensorelements aufweist. Dadurch können Signale der Sensorelemente des Inertialsensors eine möglichst geringe Überlagerung durch eingestreute Vibrationen aufweisen. Durch die geringe Überlagerung können zu erfassende Ereignisse störungsarm in den Signalen abgebildet werden und mit einer hohen Sicherheit ausgewertet werden.
Es wird ein Inertialsensor mit folgenden Merkmalen vorgestellt: einem ersten Sensorelement, das durch ein Dämpfungselement gegenüber einer Schnittstelle des Inertialsensors schwingungsgedämpft ist, wobei das erste Sensorelement dazu ausgebildet ist, in einem ersten Frequenzband eine erste Messgröße zu erfassen und das Dämpfungselement dazu ausgebildet ist, zumindest in dem ersten Frequenzband Schwingungen zu dämpfen; und einem zweiten Sensorelement, das mechanisch mit der Schnittstelle gekoppelt ist, wobei das zweite Sensorelement dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Frequenzband eine zweite Messgröße zu erfassen.
Unter einem Inertialsensor kann ein Sensor zum Erfassen von zumindest einer Beschleunigung und/oder zumindest einer Drehrate verstanden werden. Der Inertialsensor kann dazu ausgebildet sein, Beschleunigungen in mehreren zueinander winkelversetzten Achsen und/oder Drehraten um mehrere
zueinander winkelversetzte Achsen zu erfassen. Der Inertialsensor kann dazu ausgebildet sein, Beschleunigungen in drei Raumrichtungen und/oder Drehraten um die drei Raumrichtungen zu erfassen. Das erste Sensorelement kann einen ersten Arbeitspunkt in dem ersten Frequenzband aufweisen. Beispielsweise kann zumindest ein Sensorkörper des ersten Sensorelements mit einer ersten
Frequenz innerhalb des ersten Frequenzbands in Schwingung gebracht werden.
Das zweite Sensorelement kann einen zweiten Arbeitspunkt in dem zweiten Frequenzband aufweisen. Beispielsweise kann ein zumindest ein Sensorkörper des zweiten Sensorelements mit einer zweiten Frequenz innerhalb des zweiten Frequenzbands in Schwingung gebracht werden. Das Dämpfungselement kann dazu ausgebildet sein, eine Amplitude einer Störschwingung zumindest innerhalb des ersten Frequenzbereichs verkleinert an das erste Sensorelement weiterzugeben.
Das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement kann mehrachsig ausgeführt sein. Dadurch kann die erste Messgröße und/oder die zweite
Messgröße in mehreren Raumrichtungen erfasst werden. Das erste Sensorelement kann ungedämpft mit der Schnittstelle gekoppelt sein. Der Inertialsensor kann innerhalb des ersten Frequenzbereichs in ungedämpftem Zustand eine geringere Amplitudenvergrößerung der anregenden Schwingungen aufweisen, als in gedämpftem Zustand.
Das Dämpfungselement kann als biegsame Balkenstruktur ausgebildet sein, die einen mit der Schnittstelle gekoppelten Teil des Inertialsensors mit einem schwingungsfähigen Teil des Inertialsensors verbindet, wobei das erste
Sensorelement mit dem schwingungsfähigen Teil verbunden ist. Die Balken der
Balkenstruktur können als Biegefedern ausgebildet sein. Je länger die Balken sind, umso weicher kann das zweite Sensorelement gelagert sein.
Die Balkenstruktur kann einen Spalt überbrücken, der zwischen einem ringförmig umlaufenden, mit der Schnittstelle gekoppelten Ring des Inertialsensors und einer schwingungsfähigen Insel angeordnet ist, wobei ein Balken der
Balkenstruktur eine Seitenfläche der Insel mit einer quer zu der Seitenfläche ausgerichteten Innenfläche des Rings verbindet. Durch die Verbindung von quer zueinander ausgerichteten Flächen können die Balken Bewegungen in mehreren Raumrichtungen ausführen. Dadurch können auch Schwingungen in mehreren
Raumrichtungen gedämpft werden.
Zwischen den Balken der Balkenstruktur kann ein zusätzliches weiches Material angeordnet sein. Durch das Material kann das Dämpfungssystem optimal ausgelegt werden und es kann insbesondere die Amplitude der
Resonanzschwingung reduziert werden. Prozessbedingt kann das
Dämpfungsmaterial auch leicht über die Substratebene überstehen oder unter der Substratebene zurückstehen. Das Dämpfungsmaterial kann auf mindestens einer Seite der Substratebene die Balken, die Insel und teilweise den Rahmen vollständig bedecken.
Der Inertialsensor kann eine erste Substratlage und zumindest eine zweite Substratlage aufweisen, wobei die Substratlagen in verschiedenen Ebenen angeordnet sind und das erste Sensorelement auf der ersten Substratlage angeordnet ist und das zweite Sensorelement auf der zweiten Substratlage angeordnet ist. Durch ein übereinander Anordnen der Sensorelemente kann das gedämpft aufgehängte Sensorelement durch das ungedämpfte Sensorelement des Inertialsensors geschützt werden.
Zwischen der ersten Substratlage und der zweiten Substratlage kann zumindest eine mittlere Substratlage angeordnet sein, wobei die mittlere Substratlage die erste Substratlage von der zweiten Substratlage beabstandet, und eine Kavität zwischen der ersten Substratlage und der zweiten Substratlage ausbildet. Durch eine zusätzliche mittlere Substratlage kann auf einfache Weise eine Kavität als Raum für Bewegungen des ersten Sensorelements geschaffen werden.
Die Substratlagen können durch Lötkugeln miteinander verbunden sein, wobei die Lötkugeln einen elektrischen Kontakt und/oder einen mechanischen Kontakt ausbilden. Durch Lotkugeln kann ein stoffschlüssiger Kontakt erreicht werden.
Zwischen den Substratlagen kann eine Dichtungseinrichtung zum Abdichten der Kavität angeordnet sein. Die Dichtungseinrichtung kann das erste Sensorelement vor Verschmutzung schützen.
Zumindest eine der Substratlagen kann einen ringförmig umlaufenden Fuß aufweisen, um einen Abstand zwischen den Substratlagen zu definieren und die Kavität auszubilden. Der Fuß kann für einen definierten Abstand zwischen den Substratlagen definieren.
Das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement können auf einem Substrat angeordnet sein. Durch eine Anordnung nebeneinander kann eine geringe Bauhöhe des Inertialsensors erreicht werden.
Das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement kann eine integrierte Schaltung zum Verarbeiten von Sensorsignalen des ersten
Sensorelements und/oder des zweiten Sensorelements aufweisen. Durch eine integrierte Schaltung kann das Sensorsignal gefiltert werden. Durch das Filtern können zu erfassende Drehraten und/oder Beschleunigungen sicher erfasst werden.
Das erste Sensorelement kann ein Beschleunigungssensor und das zweite Sensorelement ein Drehratensensor sein oder umgekehrt. Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung einer unteren Substratlage mit einem
Dämpfungselement und einem ersten Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Darstellung einer mittleren Substratlage gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Darstellung einer obere Substratlage mit einem zweiten
Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Darstellung eines Inertialsensors mit einer Dichtungseinrichtung aus Füllstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einer
Dichtungseinrichtung aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Darstellung einer unteren Substratlage mit einem mit einer
Dichtungseinrichtung aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Darstellung einer mittleren Substratlage mit einem mit einer
Dichtungseinrichtung aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 9 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einem umlaufenden Fuß an der oberen Substratebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einem umlaufenden Fuß an der unteren Substratebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1 1 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einer Verbindung der unteren Substratebene mit der oberen Substratebene durch Lötbälle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 eine Darstellung einer oberen Substratlage mit nebeneinander
angeordnetem zweiten Sensorelement und Auswerteelektronik gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors mit einem gedämpften ersten Sensorelement und einem ungedämpften zweiten Sensorelement auf einer Substratebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 eine Darstellung einer Oberseite eines Inertialsensors mit einem
gedämpften ersten Sensorelement und einem ungedämpften zweiten Sensorelement auf einer Substratebene gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 15 eine Darstellung einer Unterseite eines Inertialsensors mit einem
gedämpften ersten Sensorelement und einem ungedämpften zweiten Sensorelement auf einer Substratebene gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In Fig. 1 ist der detaillierte Aufbau eines Inertialsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Inertialsensor 100 weist ein Dämpfersystem auf. Das Gesamtsystem 100 besteht aus drei Teilen 102, 104, 106, einer unteren Substratlage 102, hier mit einem Sensor 108, einer mittleren Substratlage 104 zur elektrischen und mechanischen Verbindung und einer oberen Substratlage 106 und mit einem weiteren Sensorl 10.
Dabei kann eine Substratlage mehrere Metallisierungsebenen und Vias beinhalten.
Die untere Substratlage 102 besteht aus einer Insel 1 12, welche umlaufend von einem Ring 1 14 umschlossen ist. Die Insel 1 12 und der Ring 1 14 sind über Federbeinchen 1 16 bestehend aus Leiterplattenmaterial miteinander mechanisch und elektrisch verbunden. Auf der Insel 1 12 der unteren Substratlage 102 befindet sich mindestens ein mikroelektromechanisches Sensorelement (MEMS) 108, das hier als Drehratensensor 108 ausgeführt ist und gegebenenfalls eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 1 18 zu Auswertung.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Auswertung über nur einen
gemeinsamen ASIC, der auf der oberen 106 oder der unteren 102 Substratebene angeordnet sein kann. Hier ist im gesamten System 100 nur ein ASIC verbaut.
Durch geeignete Gestaltung der balkenähnlichen Strukturen 1 16, die im
Folgenden auch Federbeinchen 1 16 genannt werden, werden externe mechanische Vibrationen in einem gewissen Frequenzspektrum nur gedämpft auf die Insel 1 12 übertragen. Die untere Substratlage 102 wird durch Löten mit einer weiteren Leiterplatte (beispielsweise einem Steuergerät) elektrisch und mechanisch verbunden. Die exakte Form der Federbeinchen 1 16 ist beliebig. Hier ist exemplarisch nur eine Variante gezeigt. Die MEMS 108 und/oder ASICs 1 18 werden mittels Kleben und Drahtbonden oder Flip-Chip-Löten oder
Leitkleben mit der Insel 1 12 mechanisch und elektrisch verbunden. Die Chips 1 18 auf der Insel können durch einen Glob-Top vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Die mittlere Substratlage 104 beinhaltet elektrische Vias 120 und ggf. elektrische Leitungen. Außerdem dient sie zur elektrischen und mechanischen Verbindung der oberen 106 und unteren 102 Substratlage, wobei sie gleichzeitig den nötigen Stand-off der oberen Substratlage 106 von den MEMS 108 und/oder ASIC 1 18 auf der unteren Substratlage 102 gewährleistet. Durch einen geeigneten
Fügeprozess (beispielsweise Löten) werden die einzelnen Substratlagen 102, 104, 106 miteinander mechanisch und elektrisch verbunden.
Die obere Substratlage 106 besteht aus einer Leiterplatte mit
Metallisierungsflächen und zumindest einem MEMS 1 10 und/oder zumindest einem ASIC 122, welche ebenfalls mittels Kleben und Drahtbonden oder Flip- Chip-Löten oder Leitkleben mit der unteren Substratlage 102 und der Insel 1 12 mechanisch und elektrisch verbunden sind. Die Sensoren 1 10 auf der Oberseite können mittels Duroplast-Spritzen (Molden) von Moldmasse 124 oder mit einem Deckel 124 geschützt werden.
Insbesondere zeigt Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der
Inertialsensor 100 weist ein erstes Sensorelement 108 und ein zweites
Sensorelement 1 10 auf. Das erste Sensorelement 108 ist durch ein
Dämpfungselement 1 16 gegenüber einer Schnittstelle 126 des Inertialsensors 100 schwingungsgedämpft gelagert. Das erste Sensorelement 108 ist dazu ausgebildet, in einem ersten Frequenzband eine erste Messgröße zu erfassen. Das Dämpfungselement 1 16 ist dazu ausgebildet, zumindest in dem ersten Frequenzband Schwingungen zu dämpfen.
Das zweite Sensorelement 1 10 ist mechanisch mit der Schnittstelle 126 gekoppelt. Das zweite Sensorelement 1 10 ist dazu ausgebildet, in einem zweiten Frequenzband eine zweite Messgröße zu erfassen.
In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite Sensorelement 1 10 ungedämpft mit der Schnittstelle 126 gekoppelt.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Dämpfungselement 1 16 als biegsame Balkenstruktur 1 16 ausgebildet, die einen mit der Schnittstelle 126 gekoppelten Teil des Inertialsensors 100 mit einem schwingungsfähigen Teil 1 12 des Inertialsensors 100 verbindet, wobei das erste Sensorelement 108 mit dem schwingungsfähigen Teil 1 12 verbunden ist.
In einem Ausführungsbeispiel überbrückt die Balken struktur 1 16 einen Spalt, der zwischen einem ringförmig umlaufenden, mit der Schnittstelle 126 gekoppelten Ring des Inertialsensors 100 und einer schwingungsfähigen Insel 1 12 angeordnet ist.
In einem Ausführungsbeispiel verbinden ein Balken 1 16 der Balkenstruktur 1 16 eine Seitenfläche der Insel 1 12 mit einer quer zu der Seitenfläche ausgerichteten Innenfläche des Rings.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Inertialsensor 100 eine erste
Substratlage 102 und zumindest eine zweite Substratlage 106 auf, wobei die Substratlagen 102, 106 in verschiedenen Ebenen angeordnet sind und das erste Sensorelement 108 auf der ersten Substratlage 102 angeordnet ist und das zweite Sensorelement 1 10 auf der zweiten Substratlage 106 angeordnet ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist zwischen der ersten Substratlage 102 und der zweiten Substratlage 106 zumindest eine mittlere Substratlage 104 angeordnet, wobei die mittlere Substratlage 104 die erste Substratlage 102 von der zweiten Substratlage 106 beabstandet, und eine Kavität zwischen der ersten
Substratlage 102 und der zweiten Substratlage 106 ausbildet.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Substratlagen 102, 104, 106 durch Lötkugeln miteinander verbunden, wobei die Lötkugeln einen elektrischen Kontakt und/oder einen mechanischen Kontakt ausbilden.
In einem Ausführungsbeispiel ist das erste Sensorelement 108 ein
Drehratensensor 108 und das zweite Sensorelement 1 10 ein
Beschleunigungssensor 1 10.
In einem Ausführungsbeispiel ist das erste Sensorelement 108 ein
Beschleunigungssensor 108 und das zweite Sensorelement 1 10 ein
Drehratensensor 1 10. In einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 108, 1 10 und/oder die elektrischen Schaltungen 1 18, 122 durch Bonddrähte 128 mit den Substratlagen 102, 106 verbunden.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Substratlagen 102, 104, 106 aus einem Substrat 130 ausgebildet.
In einem Ausführungsbeispiel weist das erste Sensorelement 108 und/oder das zweite Sensorelement 1 10 eine integrierte Schaltung 1 18, 122 zum Verarbeiten von Sensorsignalen des ersten Sensorelements 108 und/oder des zweiten Sensorelements 1 10 auf.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 1 ein Package-Stacking zur selektiven Dämpfung von Inertialsensoren 108, 1 10.
Ein ähnlicher Effekt kann erreicht werden, wenn das First-Level-Modul auf einen mechanischen Dämpfer integriert wird oder Premoldgehäuse mit integriertem Dämpfer eingesetzt werden. Diese Ansätze sind jedoch für moderne
Moldgehäuse nicht zufriedenstellend und kostengünstig.
In dem hier beschriebenen Ansatz wird das erste Sensorelement 108 durch ein Schwingungsentkopplungssystem entkoppelt. Das
Schwingungsentkopplungssystem setzt sich aus einem inneren Substratteil 1 12 und einem äußeren ringförmigen Substratteil zusammen, wobei die beiden Substratteile über balkenähnliche Strukturen 1 16 verbunden sind. Das
Schwingungsentkopplungssystem ist unterhalb eines Substrats 106 des zweiten Sensorelements 1 10 montiert und entkoppelt das erste Sensorelement 108 von aus der nächsten Ebene, wie beispielsweise einem Steuergerät, einstreuenden Vibrationen. Es handelt sich somit um eine Schwingungsentkopplung auf I st- Level-Substratebene.
Die hier vorgestellte Federstruktur 1 16 ist für die Bedämpfung eines
Drehratesensors 108 vorteilhaft, da die Federstruktur 1 16 bei der Arbeitsfrequenz des Drehratesensors 108 zu einer starken Dämpfung führt. Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer unteren Substratlage 102 mit einem
Dämpfungselement 1 16 und einem ersten Sensorelement 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die untere Substratlage 102 oder Substratebene 102 entspricht im Wesentlichen der unteren Substratlage in Fig. 1. Die untere Substratlage 102 ist als ringförmig geschlossener Rand 200, der durch einen Spalt 202 von der Insel 1 12 getrennt ist, ausgebildet. Der Rand 200 ist hier quadratisch geformt und weist eine Vielzahl von elektrischen und/oder mechanischen Kontaktstellen 204 auf. Die Kontaktstellen 204 sind als Lotbälle 204 ausgebildet. Die Kontaktstellen 204 sind entlang des Rands 200 einreihig umlaufend angeordnet. Die Insel 1 12 ist hier ebenfalls quadratisch geformt. Der Spalt 202 ist umlaufend gleichmäßig breit. Der Spalt 202 wird durch vier Balkenstrukturen 1 16 überbrückt. Je eine Balkenstruktur 1 16 verbindet eine Innenseite des Rands 200 mit einer quer dazu angeordneten Außenseite der Insel 1 12. Dabei weist die Balkenstruktur 1 16 eine mäanderartige Form auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Balkenstruktur 1 16 drei rechtwinklige
Knicks auf. Die vier Balken 1 16 der Balkenstruktur 1 16 bilden gemeinsam im Wesentlichen einen zu dem Rand 200 konzentrischen Ring aus, der innerhalb des Spalts 202 angeordnet ist. Der Ring ist dabei vierfach geschlitzt. Die vier Teile des Rings weisen je an einem ersten Ende einen Anschluss zu dem Rand 200 und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende einen Anschluss zu der
Insel 1 12 auf. Innerhalb der Balken 1 16 sind metallische Strukturen angeordnet, die als Leiterbahnen zum Anschluss des ersten Sensorelements 108 und/oder zum Beeinflussen einer Federrate der Balkenstrukturen 1 16 dienen. Das erste Sensorelement 108 ist mittig auf der Insel 1 12 angeordnet. Die erste
Auswerteelektronik 1 18 ist ebenfalls mittig auf der Insel 1 12 zwischen dem ersten
Sensorelement 108 und der unteren Substratlage 102 angeordnet.
Sensorelement 108 und Auswerteelektronik 1 18 sind über die Leiterbahnen in den Balkenstrukturen elektrisch mit zumindest einer Auswahl der Kontaktstellen 204 verbunden.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer mittleren Substratlage 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die mittlere Substratlage 104 entspricht im Wesentlichen der mittleren Substratlage in Fig. 1 . Die mittlere Substratlage 104 entspricht im Wesentlichen dem Rand der unteren Substratlage in Fig. 2. Wie in Fig. 2 weist der Rand 200 der mittleren Substratlage 104 eine
Vielzahl von elektrischen und/oder mechanischen Kontaktstellen 204 auf. Die Kontaktstellen 204 sind als Lotbälle 204 ausgebildet. Die Kontaktstellen 204 sind entlang des Rands 200 einreihig umlaufend angeordnet. Die Kontaktstellen 204 sind entsprechend den Kontaktstellen der unteren Substratlage angeordnet. Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer obere Substratlage 106 mit einem zweiten
Sensorelement 1 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die obere Substratlage 106 entspricht im Wesentlichen der oberen Substratlage in Fig. 1. Die obere Substratlage 106 ist hier wie die untere Substratlage in Fig. 2 und die mittlere Substratlage in Fig. 3 quadratisch. Dabei entsprechen die Abmessungen der oberen Substratlage 106 der unteren und mittleren Substratlage. Entsprechend den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Kontaktstellen weist auch die obere Substratlage 106 elektrische und/oder mechanische Kontaktstellen auf. Die Kontaktstellen sind über
Durchkontaktierungen 120 auf eine hier dargestellte Oberseite der oberen Substratlage 106 geführt. Das zweite Sensorelement 1 10 und die
Auswerteelektronik 122 sind elektrisch über Leiterbahnen in der oberen
Substratlage 106 mit den Durchkontaktierungen 120 verbunden.
In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen wird eine kostengünstige, kleinbauende Modul- Aufbau- und Verbindungstechnik zur Entkopplung von
Vibrationen in allen drei Raumrichtungen mit dem Ziel der verringerten
Störanfälligkeit von MEMS-Sensoren 108, 1 10 am Einbauort vorgestellt. Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen werden hier die Sensoren 108, 1 10, beispielsweise ein Beschleunigungssensor 1 10 und ein Drehratesensor 108 nur selektiv von Vibrationen entkoppelt, sodass sich eine deutliche Performance-
Verbesserung ergibt.
Das hier vorgestellte Modul 100 besteht aus mehreren elektrisch und mechanisch verbundenen Substratlagen 102, 104, 106, welche einen Hohlraum einschließen. Hierbei ist mindestens eine der sechs Seiten, welche den
Hohlraum definieren, mindestens teilweise geöffnet. Die untere Substratlage 102 besteht aus zwei Teilen. Einer Insel 1 12 und einem umlaufenden geschlossenen Ring 200. Beide Teile, Insel 1 12 und Ring 200, sind über dünne balkenähnliche Strukturen 1 16 miteinander mechanisch und elektrisch verbunden. Diese balkenähnlichen Strukturen 1 16 sind so ausgelegt, dass Vibrationen von der
Insel 1 12 zum Ring 200 oder andersherum entkoppelt werden. Die obere Substratlage 106 ist mit dem umlaufend geschlossenen Ring 200 der unteren Substratlage 102 und damit in eingebautem Zustand mit einer
Kundenleiterplatte mechanisch starr verbunden. Es treten also auf der oberen Leiterplatte 106 keine signifikanten Überhöhungen bei niedrigen Frequenzen, beispielsweise um 2 kHz bis 5 kHz auf.
Die mittlere Substratlage 104 verbindet die oberen 106 und unteren
Substratlagen 102 mechanisch und elektrisch und kann ggf. durch Lötballs 204 ersetzt werden.
Alle Substratlagen 102, 104, 106 beinhalten metallisierte Kontaktflächen 204 zur elektrischen und mechanischen Ankopplung an die anderen Substratlagen 102, 104, 106, an Bauelemente oder an andere Leiterplatten, wie ein Steuergerät ESP.
Alle Substratlagen 102, 104, 106 können Metallisierungslagen enthalten.
Außerdem können elektrische Signale durch Vias 120 durch die einzelnen Substratlagen 102, 104, 106 geleitet werden.
Die obere Substratlage 106 und die untere Substratlage 102 sind mit mindestens einem MEMS 108, 1 10/ASIC 1 18, 122 bestückt.
Die Sensorelemente 108, 1 10 und/oder Auswerteelektronik 1 18, 122 können in FlipChip Technik verbaut werden. Ebenso können die Sensorelemente 108, 1 10 und/oder Auswerteelektronik 1 18, 122 durch Kleben und Drahtbonds 128 oder durch Leitkleben montiert werden. Die MEMS 1 10/ASIC 122 auf der oberen Substratlage 106 sind mit Moldmasse 124 oder einem Deckel 124 vor
Umwelteinflüssen geschützt. Die MEMS 108/ASIC 1 18 auf der unteren
Substratebene 102 können durch einen Glob-top (Verguss auf Chip) vor
Umwelteinflüssen geschützt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz stellt eine kompakte Struktur 100 zur selektiven Entkopplung von mechanischen Schwingungen vor. Es ergibt sich ein hohes Potenzial zur Performance-Steigerung. Dabei wird das erste Sensorelement 108, beispielsweise ein Drehratesensor 108, mechanisch weich angebunden. Die weiche Anbindung erfolgt durch eine Montage auf der Insel 1 12 der unteren Substratlage 102. Das zweite Sensorelement 1 10, beispielsweise ein
Beschleunigungssensor 1 10, ist hingegen hart angebunden. Die harte Anbindung erfolgt durch eine direkte Montage auf der oberen Substratlage 106. Die resultierenden Ü bertrag ungsfunktionen an den Sensoren 108, 1 10 sind dadurch unterschiedlich. Das erste Sensorelement 108 hat somit eine starke Dämpfung bei 20-30 kHz, das zweite Sensorelement 1 10 hat hingegen keine Überhöhung bei niedrigen Frequenzen (2-5 kHz). Durch den hier vorgestellten Ansatz kann ein kostengünstiger
Beschleunigungssensor 1 10 verwendet werden. Störmoden bei niedrigen Frequenzen sind nicht zu erwarten.
Eine aufwendige Vergelung des Dämpfersystems 100 kann bei dem hier vorgestellten Ansatz entfallen.
Die Resonanzfrequenz der Federstruktur 1 16 ist nur durch das
Leiterplattenmaterial und die Abmessungen bestimmt. Ein signifikanter Drift über Temperatur ist nicht zu erwarten.
Die Masse auf der Insel 1 12 der unteren Substratlage 102 zusammengesetzt aus einer Masse des ersten Sensorelements 108 plus die optionale
Auswerteelektronik 1 18 ist relativ gering, sodass der Schwerpunkt dieser Insel 1 12 aus dem Substrat 130 und dem Sensorelement 108 plus der
Auswerteelektronik 1 18 relativ nah am Drehpunkt der Insel 1 12 liegt. Damit ist das System ausgewuchtet und es kann ein kostengünstiger Sensor 108 mit höherer Drehbeschleunigungssensitivität verwendet werden.
Ohne Dämpfungsmaterial ist das Federsystem 1 16 weicher und somit die resultierende Dämpfung für gleiche Federbeinstrukturen bei einer bestimmten Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz des Dämpfers höher.
Mit anderen Worten zeigen die Figuren 1 bis 4 Aufsichten und einen Schnitt des Sensorsystems 100 mit selektiver Bedämpfung des zweiten Sensorelements 108. Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Inertialsensors 100 mit einer
Dichtungseinrichtung 600 aus Füllstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 1 . Zusätzlich ist eine erste Dichtungsschicht 600 zwischen der unteren Substratlage 102 und der mittleren Substratlage 104 angeordnet. Weiterhin ist eine zweite Dichtungsschicht 600 zwischen der mittleren
Substratlage 104 und der oberen Substratlage 106 angeordnet. Die
Dichtungsschichten 600 verschließen Zwischenräume zwischen den Lötballs 204, um ein Eindringen von Verschmutzungen in den Hohlraum zwischen der unteren Substratlage 102 und der oberen Substratlage 106 zu erschweren.
In einem Ausführungsbeispiel ist zwischen den Substratlagen 102, 104, 106 eine Dichtungseinrichtung 600 zum Abdichten der Kavität angeordnet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dichtungseinrichtung 600 aus einem elektrisch isolierenden Füllstoff 600 ausgeführt. Der Füllstoff 600 versiegelt die Kavität.
Zur seitlichen Versiegelung ist es auch möglich, die Bereiche zwischen den Lötballs 204 mit einem Füllstoff 600 zu versiegeln, um das System vor Staub besser zu schützen.
Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einer
Dichtungseinrichtung 600 aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 1. Zusätzlich ist als Dichtungseinrichtung 600 ein erster Lotring 600 zwischen der unteren Substratlage 102 und der mittleren
Substratlage 104 angeordnet. Weiterhin ist als Dichtungseinrichtung 600 ein zweiter Lotring 600 zwischen der mittleren Substratlage 104 und der oberen Substratlage 106 angeordnet. Die Lotringe 600 sind außerhalb der
Kontakteinrichtungen 204 angeordnet und sind beabstandet zu diesen. Damit sind die Lotringe 600 elektrisch von den Kontakteinrichtungen 204 isoliert. Wie in Fig. 6 dichten die Lotringe 600 die Kavität zwischen der unteren Substratlage 102 und der oberen Substratlage 106 gegen ein Eindringen von Fremdkörpern ab. Fig. 7 zeigt eine Darstellung einer unteren Substratlage 102 mit einem mit einer Dichtungseinrichtung 600 aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die untere Substratlage 102 entspricht im Wesentlichen der unteren Substratlage in Fig. 7. Die Dichtungseinrichtung 600 ist als ringförmig außen um die Kontakteinrichtungen umlaufender Lotring 600 ausgebildet. Der
Lotring 600 stellt eine zusätzliche mechanische und/oder elektrische Verbindung zu der mittleren oder oberen Substratebene bereit.
Fig. 8 zeigt eine Darstellung einer mittleren Substratlage 104 mit einem mit einer Dichtungseinrichtung 600 aus Lötmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die mittlere Substratlage 104 entspricht im Wesentlichen der mittleren Substratlage in Fig. 7. Die Dichtungseinrichtung 600 ist als ringförmig außen um die Kontakteinrichtungen umlaufender Lotring 600 ausgebildet. Der Lotring 600 stellt eine zusätzliche mechanische und/oder elektrische Verbindung zu der oberen und/oder unteren Substratebene bereit.
Eine alternative seitliche Versiegelung kann auch erreicht werden, wenn zu den Lötballs 204 auch noch ein beidseitig umlaufender Lotring 600 auf der mittleren Substratebene 104 eingebracht wird.
Fig. 9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einem umlaufenden Fuß 1000 an der oberen Substratebene 106 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 1 . Im Gegensatz dazu weist der Inertialsensor lediglich eine untere Substratlage 102 und eine obere Substratlage 106 auf. Die obere Substratlage weist einen umlaufenden Fuß 1000 auf, der einen Ebenenversatz der Kontakteinrichtungen 204 zu einer Unterseite der oberen Substratlage 106 herstellt. Durch den Ebenenversatz ist die obere Substratlage 106 im Bereich der Sensorelemente 108, 1 10 beabstandet von der unteren Substratlage 102. Zwischen den Substratlagen 102, 106 ist die Kavität angeordnet. In dem Fuß 1000 verlaufen die Durchkontaktierungen 120, um das zweite Sensorelement 1 10 elektrisch mit der Schnittstelle 126 zu verbinden.
Fig. 10 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einem umlaufenden Fuß 1000 an der unteren Substratebene 102 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 10. Im Gegensatz dazu ist der Fuß 1000 hier Bestandteil der unteren Substratebene 102.
In einem Ausführungsbeispiel weist zumindest eine der Substratlagen 102, 106 einen ringförmig umlaufenden Fuß 1000 auf, um einen Abstand zwischen den Substratlagen 102, 106 zu definieren und die Kavität auszubilden.
Bei geeigneter Gestaltung der oberen 106 oder unteren 102 Substratlage kann die mittlere Substratlage eingespart werden. Die gezeigte Sacklochgestaltung kann mittels Tieffräsen oder durch Verpressen mit NoFlow-Prepreg realisiert werden.
Fig. 1 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einer
Verbindung der unteren Substratebene 102 mit der oberen Substratebene 106 durch Lötbälle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 1. Im Gegensatz dazu weist der Inertialsensor lediglich eine untere Substratlage 102 und eine obere Substratlage 106 auf. Die mittlere Substratlage ist durch Lotbälle 1200 ersetzt. Die Lotbälle 1200 weisen einen größeren Durchmesser auf, als die Lotbälle der Schnittstelle 126. Durch den Durchmesser der Lotbälle werden die untere Substratlage 102 und die obere Substratlage 106 in einem vorbestimmten Abstand zueinander gehalten. Der Abstand definiert eine Höhe der Kavität des Sensors 100.
Falls die MEMS 108/ASIC 1 18 auf der Insel der unteren Substratlage 102 eine ausreichend niedrige Bauhöhe haben. So können auch Lötballs 1200 mit einem angepassten Durchmesser verwendet werden, um den Stand-off der oberen Substratlage 106 zu erzeugen.
Fig. 12 zeigt eine Darstellung einer oberen Substratlage 106 mit nebeneinander angeordnetem zweiten Sensorelement 1 10 und Auswerteelektronik 122 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die obere Substratlage 106 entspricht im Wesentlichen der oberen Substratlage in Fig. 4. Im Gegensatz dazu ist sowohl die Auswerteelektronik 122, als auch das zweite Sensorelement 1 10 unmittelbar auf der oberen Substratlage 106 angeordnet. Das zweite Sensorelement 1 10 ist über Drahtbonds 128 mit der Auswerteelektronik 122 verbunden.
In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, welche eine alternative Anordnung der MEMS 1 10/ASIC 122 zeigt. Auf der oberen Substratlage 106 muss keine Fläche für die Strukturierung der balkenähnlichen Strukturen vorgesehen werden, sodass die nutzbare Fläche für das Aufbringen von MEMS 1 10/ASIC 122 im Vergleich zur unteren Substratlage größer ist. Daher müssen die MEMS 1 10/ASIC 122 beispielsweise nicht aufeinander„gestacked" werden, sondern können nebeneinander gesetzt werden, sodass die Bauhöhe des gesamten Dämpfersystems reduziert wird.
Fig. 13 zeigt eine Schnittdarstellung eines Inertialsensors 100 mit einem gedämpften ersten Sensorelement 108 und einem ungedämpften zweiten Sensorelement 1 10 auf einer Substratebene 1400 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zwischen dem zweiten
Sensorelement 1 10 und der Substratlage 1400 ist eine Auswerteelektronik 1 18 angeordnet. Das erste Sensorelement 108 ist wie in Fig. 1 beschrieben durch eine Dämpfungsstruktur 1 16 gedämpft. Die Dämpfungsstruktur 1 16 ist aus der Substratlage 1400 herausgearbeitet. Die Dämpfungsstruktur 1 16 entspricht im Wesentlichen der in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Dämpfungsstruktur. Die Substratebene 1400 weist Durchkontaktierungen 120 auf, die die Auswerteelektronik 1 18 mit einer Schnittstelle 126 auf einer gegenüberliegenden Seite der Substratebene 1400 verbinden. Der Inertialsensor 100 weist einen Deckel 1402 auf, der einen Hohlraum umschließt, in dem das erste Sensorelement 108, das zweite Sensorelement 1 10 und die
Auswerteelektronik 1 18 angeordnet sind. Das erste Sensorelement 108 weist einen Abstand zu dem Deckel 1402 auf, um schwingfähig zu sein.
In einem Ausführungsbeispiel sind das erste Sensorelement 108 und das zweite Sensorelement 1 10 auf einem Substrat 1400 angeordnet.
Neben dem bisher beschriebenen Ansatz des Stacking von Elementen können der Drehratesensor 108 und der Beschleunigungssensor 1 10 auch
nebeneinander auf einer Ebene 1400 aufgebaut werden. In diesem Fall wird das Substrat 1400 mit einem Deckel 1402, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall gehaust.
Der Drehratensensor 108 ist auf der Insel 1 12 angeordnet und mit Drahtbonds 128 direkt mit einem ASIC 1 18 auf der hart angebundenen Substratseite verbunden. Alternativ können das erste Sensorelement 108 und ein extra ASIC auf der Insel 1 12 angeordnet werden. Die elektrische Verbindung kann über die Federbeinchen 1 16 zu den Lotkugeln 204 im Rahmen verlaufen. Ebenso kann nur das erste Sensorelement 108 auf der Insel 1 12 angeordnet sein. Drahtbonds 128 können von dem ersten Sensorelement 108 auf die Insel 1 12 verlaufen. Von da kann eine Umverdrahtung über die Federbeinchen 1 16 zum Rahmen erfolgen. Ebenso ist eine Flip-Chip Montage der Sensoren 108, 1 10 möglich.
Unabhängig von der elektrischen Kontaktierung des ersten Sensorelements 108 können die Federbeinchen 1 16 Kupfer enthalten, also auch, wenn Drahtbonds
128 von dem ersten Sensorelement 108 direkt zum ASIC 1 18 gehen. Das Kupfer kann verwendet werden, um die Resonanzfrequenz und die Überhöhung des Feder-Masse-Systems zu beeinflussen. Ebenso kann ein zusätzlicher Deckel als Partikelschutz von der Unterseite über den Teilbereich der Inselstruktur 1 12 angeordnet werden.
Fig. 14 zeigt eine Darstellung einer Oberseite eines Inertialsensors 100 mit einem gedämpften ersten Sensorelement 108 und einem ungedämpften zweiten Sensorelement 1 10 auf einer Substratebene 1400 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 14. Hier ist der Aufbau des Dämpfungselements 1 16 entsprechend der Darstellung in Fig. 2 gezeigt. Auf der Substratebene 1400 sind neben dem durch das Dämpfungselement 1 16 schwingungsgedämpft gelagerten ersten Sensorelement 108 das ungedämpfte zweite Sensorelement 1 10 und die Auswerteelektronik 1 18 angeordnet. Das erste Sensorelement 108 ist durch Drahtbonds 128 direkt mit der
Auswertelektronik 1 18 verbunden. Die Drahtbonds 128 überbrücken das
Dämpfungselement 1 16 direkt.
Fig. 15 zeigt eine Darstellung einer Unterseite eines Inertialsensors 100 mit einem gedämpften ersten Sensorelement und einem ungedämpften zweiten Sensorelement auf einer Substratebene 1400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Inertialsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Inertialsensor in Fig. 14. Hier ist die Schnittstelle 126 dargestellt, die einen elektrischen Kontakt und alternativ oder ergänzend einen mechanischen Kontakt des Inertialsensors 100 zu einer Befestigungsfläche gewährleistet. Die
Schnittstelle 126 ist hier im Bereich der Auswerteelektronik als Raster von Lotbällen 204 ausgebildet. Im Bereich des Dämpfungselements 1 16 ist die Schnittstelle als einreihig um das Dämpfungselement 1 16 umlaufende Linie von Lotbällen 204 ausgebildet. Im Bereich der Auswerteelektronik stellt die
Schnittstelle 126 sowohl den mechanischen Kontakt, als auch den elektrischen
Kontakt bereit. Im Bereich des Dämpfungselements 1 16 stellt die Schnittstelle 126 insbesondere den mechanischen Kontakt bereit.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
Inertialsensor (100) mit folgenden Merkmalen: einem ersten Sensorelement (108), das durch ein Dämpfungselement (1 16) gegenüber einer Schnittstelle (126) des Inertialsensors (100)
schwingungsgedämpft ist, wobei das erste Sensorelement (108) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Frequenzband (506) eine erste Messgröße zu erfassen und das Dämpfungselement (1 16) dazu ausgebildet ist, zumindest in dem ersten Frequenzband (506) Schwingungen zu dämpfen; und einem zweiten Sensorelement (1 10), das mechanisch mit der Schnittstelle (126) gekoppelt ist, wobei das zweite Sensorelement (1 10) dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Frequenzband (508) eine zweite Messgröße zu erfassen.
2. Inertialsensor (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem das zweite Sensorelement (1 10) ungedämpft mit der Schnittstelle (126) gekoppelt ist. 3. Inertialsensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Dämpfungselement (1 16) als biegsame Balkenstruktur (1 16) ausgebildet ist, die einen mit der Schnittstelle (126) gekoppelten Teil (200) des Inertialsensors (100) mit einem schwingungsfähigen Teil (1 12) des Inertialsensors (100) verbindet, wobei das erste Sensorelement (108) mit dem schwingungsfähigen Teil (1 12) verbunden ist.
4. Inertialsensor (100) gemäß Anspruch 3, bei dem die Balkenstruktur (1 16) einen Spalt (202) überbrückt, der zwischen einem ringförmig umlaufenden, mit der Schnittstelle (126) gekoppelten Ring (200) des Inertialsensors (100) und einer schwingungsfähigen Insel (1 12) angeordnet ist, wobei ein Balken
(1 16) der Balkenstruktur (1 16) eine Seitenfläche der Insel (1 12) mit einer quer zu der Seitenfläche ausgerichteten Innenfläche des Rings (200) verbindet.
Inertialsensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer ersten Substratlage (102) und zumindest einer zweiten Substratlage (106), wobei die Substratlagen (102, 106) in verschiedenen Ebenen angeordnet sind und das erste Sensorelement (108) auf der ersten
Substratlage (102) angeordnet ist und das zweite Sensorelement (1 10) auf der zweiten Substratlage (106) angeordnet ist.
Inertialsensor (100) gemäß Anspruch 5, bei dem zwischen der ersten Substratlage (102) und der zweiten Substratlage (106) zumindest eine mittlere Substratlage (104) angeordnet ist, wobei die mittlere Substratlage (104) die erste Substratlage (102) von der zweiten Substratlage (106) beabstandet, und eine Kavität zwischen der ersten Substratlage (102) und der zweiten Substratlage (106) ausbildet.
Inertialsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, bei dem die Substratlagen (102, 104, 106) durch Lötkugeln (204; 1200) miteinander verbunden sind, wobei die Lötkugeln (204; 1 12) einen elektrischen Kontakt und/oder einen mechanischen Kontakt ausbilden.
Inertialsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem zwischen den Substratlagen (102, 104, 106) eine Dichtungseinrichtung (600) zum Abdichten der Kavität angeordnet ist.
Inertialsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem zumindest eine der Substratlagen (102, 106) einen ringförmig umlaufenden Fuß (1000) aufweist, um einen Abstand zwischen den Substratlagen (102, 106) zu definieren und die Kavität auszubilden.
0. Inertialsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das erste Sensorelement (108) und das zweite Sensorelement (1 10) auf einem Substrat (1400) angeordnet sind.
1 1 . Inertialsensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das erste Sensorelement (108) und/oder das zweite Sensorelement (1 10) eine integrierte Schaltung (1 18, 122) zum Verarbeiten von
Sensorsignalen des ersten Sensorelements (108) und/oder des zweiten Sensorelements (1 10) aufweist.
12. Inertialsensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das erste Sensorelement (108) ein Drehratensensor (108) und das zweite Sensorelement (1 10) ein Beschleunigungssensor (1 10) ist, oder umgekehrt.
EP14793064.8A 2013-11-12 2014-10-28 Inertialsensor Withdrawn EP3069148A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013222966.6A DE102013222966A1 (de) 2013-11-12 2013-11-12 Inertialsensor
PCT/EP2014/073047 WO2015071082A1 (de) 2013-11-12 2014-10-28 Inertialsensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3069148A1 true EP3069148A1 (de) 2016-09-21

Family

ID=51846633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP14793064.8A Withdrawn EP3069148A1 (de) 2013-11-12 2014-10-28 Inertialsensor

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20160291050A1 (de)
EP (1) EP3069148A1 (de)
CN (1) CN105705950B (de)
DE (1) DE102013222966A1 (de)
WO (1) WO2015071082A1 (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10345330B2 (en) 2015-09-25 2019-07-09 Apple Inc. Mechanical low pass filter for motion sensors
US10324105B2 (en) * 2015-09-25 2019-06-18 Apple Inc. Mechanical low pass filter for motion sensors
DE102016203036A1 (de) * 2016-02-26 2017-08-31 Robert Bosch Gmbh Sensorvorrichtung und Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung
US10078097B2 (en) 2016-06-01 2018-09-18 Sonion Nederland B.V. Vibration or acceleration sensor applying squeeze film damping
DE102016112041A1 (de) * 2016-06-30 2018-01-04 Infineon Technologies Ag Dämpfung eines sensors
EP3342749A3 (de) 2016-12-30 2018-09-12 Sonion Nederland B.V. Mikroelektromechanischer wandler
GB2560192A (en) * 2017-03-03 2018-09-05 Atlantic Inertial Systems Ltd Vibration damping mount
CN111016033B (zh) * 2019-12-13 2021-08-17 武汉迈普时空导航科技有限公司 一种基于硅胶的imu减震隔热装置及制备方法
JP2022050915A (ja) * 2020-09-18 2022-03-31 セイコーエプソン株式会社 慣性計測装置
JP2022107279A (ja) * 2021-01-08 2022-07-21 セイコーエプソン株式会社 慣性計測装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1898179A1 (de) * 2005-06-09 2008-03-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Zusammengesetzter sensor
DE102009002068A1 (de) * 2009-04-01 2010-10-07 Robert Bosch Gmbh Dämpfungsvorrichtung

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10239064A (ja) * 1997-02-27 1998-09-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 角速度と加速度の複合センサ
EP1711836A1 (de) * 2004-01-07 2006-10-18 Northrop Grumman Corporation Zur messung von beschleunigung entlang dreier achsen verwendbare coplanare prüfmassen
JP4957158B2 (ja) * 2006-10-02 2012-06-20 株式会社デンソー 電子装置の製造方法
EP2187168A4 (de) * 2007-09-03 2013-04-03 Panasonic Corp Trägheitskraftsensor
US20090282917A1 (en) * 2008-05-19 2009-11-19 Cenk Acar Integrated multi-axis micromachined inertial sensing unit and method of fabrication
CN101844739A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 深迪半导体(上海)有限公司 一种超小型mems陀螺仪传感器的制造方法
CN101525115A (zh) * 2009-04-07 2009-09-09 杭州电子科技大学 嵌入可动电极的微惯性传感器及其制作方法
DE102010029709B4 (de) 2010-06-04 2020-08-06 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements
CN102121829B (zh) * 2010-08-09 2013-06-12 汪滔 一种微型惯性测量系统
US9227835B2 (en) * 2010-11-23 2016-01-05 Honeywell International Inc. Vibration isolation interposer die
DE102011076555B4 (de) * 2011-05-26 2019-11-07 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauelement mit einer Dämpfungseinrichtung
CN102435190B (zh) * 2011-09-14 2013-10-23 中国航空工业第六一八研究所 余度传感器惯性测量装置
US9368429B2 (en) * 2011-10-25 2016-06-14 Intel Corporation Interposer for hermetic sealing of sensor chips and for their integration with integrated circuit chips
DE102012201486B4 (de) * 2012-02-02 2020-08-06 Robert Bosch Gmbh Dämpfungsvorrichtung für eine mikromechanische Sensoreinrichtung

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1898179A1 (de) * 2005-06-09 2008-03-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Zusammengesetzter sensor
DE102009002068A1 (de) * 2009-04-01 2010-10-07 Robert Bosch Gmbh Dämpfungsvorrichtung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of WO2015071082A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105705950B (zh) 2020-02-07
WO2015071082A1 (de) 2015-05-21
CN105705950A (zh) 2016-06-22
DE102013222966A1 (de) 2015-05-28
US20160291050A1 (en) 2016-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3069148A1 (de) Inertialsensor
DE102012206875B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines hybrid integrierten Bauteils und entsprechendes hybrid integriertes Bauteil
EP2789578B1 (de) Bauelement mit federnden Elementen und Verfahren zur Herstellung des Bauelements
DE102009001930B4 (de) Sensorbaustein
DE102004005668B4 (de) Elektrisches Bauelement und Herstellungsverfahren
DE102011075260B4 (de) MEMS-Mikrofon
WO2010089261A2 (de) Sensormodul und verfahren zum herstellen von sensormodulen
DE102004011148B3 (de) Mikrophon und Verfahren zum Herstellen eines Mikrophons
DE102016106311A1 (de) Kavitätspackage mit kompositsubstrat
EP2526545B1 (de) Sensor mit dämpfung
DE102005041577A1 (de) Sensor für eine physikalische Grösse
DE102012209235A1 (de) Sensormodul
DE102012201486A1 (de) Dämpfungsvorrichtung für eine mikromechanische Sensoreinrichtung
DE102012208031A1 (de) +Hybrid integriertes Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102008053327A1 (de) Anordnung mit einem Mikrofon
DE102012206854A1 (de) Hybrid integriertes Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102014112495A1 (de) Sensoranordnung
DE102004010905A1 (de) Kapazitiver Halbleitersensor
WO2015169615A1 (de) Sensorbauelement mit zwei sensorfunktionen
EP2868625A1 (de) Mikroelektromechanische Sensoranordnung mit Dämpfungsschicht und Verfahren zum Herstellen dieser mikroelektromechanischen Sensoranordnung
DE112006001844B4 (de) Verfahren zum Herstellen einer Elektronikkomponente und Elektronikkomponente
DE102010007605B4 (de) Miniaturisiertes Bauelement mit zwei Chips und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102014210934A1 (de) Vertikal hybrid integriertes MEMS-ASIC-Bauteil mit Stressentkopplungsstruktur
EP2778119B1 (de) Sensor und Verfahren zum Herstellen einer flexiblen Lötverbindung zwischen einem Sensor und einer Leiterplatte
DE102012220323A1 (de) Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20160613

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20181122

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: ROBERT BOSCH GMBH

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20210501