WO2014184033A1 - Sensiereinrichtung für eine mikromechanische sensorvorrichtung - Google Patents

Sensiereinrichtung für eine mikromechanische sensorvorrichtung Download PDF

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WO2014184033A1
WO2014184033A1 PCT/EP2014/059116 EP2014059116W WO2014184033A1 WO 2014184033 A1 WO2014184033 A1 WO 2014184033A1 EP 2014059116 W EP2014059116 W EP 2014059116W WO 2014184033 A1 WO2014184033 A1 WO 2014184033A1
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sensing
seismic mass
sensing device
sensor device
offset
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PCT/EP2014/059116
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Gerald Hopf
Chunyu Wang
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01P2015/0811—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 a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814—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 a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type

Definitions

  • the invention relates to a sensing device for a micromechanical sensor device.
  • the invention further relates to a method for operating a sensing device of a micromechanical sensor device.
  • MEMS micro-electromechanical-systems
  • capacitive initial sensors such as accelerometers, gyroscopes and pressure sensors
  • accelerometers e.g in airbags, antilock braking systems, electronic stability programs, etc.
  • consumer sector e.g games, mobile phones, navigation systems, etc.
  • the sensor offset is one of the most important sensor parameters that is normally determined during a sensor calibration.
  • the sensor offset has a great influence on other sensor parameters, one of these parameters being the vibration robustness, which is particularly important in applications of the automotive sector, since the sensors are often subjected to acceleration values that are not within their measuring range.
  • the vibration robustness depends on various factors.
  • many sensor parameters such as sensor offset, parasitic capacitances, transfer function, etc.
  • DE 10 2006 049 960 A1 discloses an apparatus and a method for setting an offset of a micromechanical sensor element, in which an offset (error) is deliberately set in such a way that a quiescent value of an output is set to a predetermined value. In this way, an output signal of the sensor element can be influenced.
  • the object of the invention is to provide a micromechanical sensor device with improved performance.
  • a sensing device for a micromechanical sensor device comprising: a seismic mass movable along a sensing direction; and
  • At least one comb electrode arranged orthogonally to the sensing element on opposite side surfaces of the seismic mass
  • a constant electrical compensation voltage for compensating a mechanical offset of the Sensierelements can be applied to the at least two comb electrodes.
  • the comb electrode used Due to the fact that the comb electrode used knows no variation of the force effect as a function of the distance, advantageously no snapping effects can occur, as with plate capacitors. As a result, an offset error is advantageously eliminated substantially permanently and a vibration robustness of the sensor is increased. On detection properties of the sensor, the offset compensation used advantageously has no effect.
  • the sensing element is in a lack of external acceleration substantially always in the exact rest position, whereby the sensor device can operate very linear. Symmetrical working conditions are thus advantageously provided early for the sensor in the signal chain.
  • the invention is further achieved with a method for operating a sensing device of a micromechanical sensor device, comprising:
  • the sensing element is placed in a zero position.
  • the invention is further solved using a comb electrodes to compensate for an offset of a micromechanical sensor device, wherein an electrical compensation voltage is applied at least once to comb electrodes of a seismic mass of a sensing device and remains applied over the operating life of the sensor device.
  • the zero point position of the sensing device is mechanically adjusted. This can advantageously be carried out one or more times.
  • a preferred embodiment of the sensing device according to the invention provides that in each case a plurality of comb electrodes are arranged on opposite side surfaces of the seismic mass. As a result, a setting property of the sensor device can advantageously be improved because individual requirements are best addressed.
  • a further preferred embodiment of the sensing device according to the invention is characterized in that the comb electrodes are arranged outside or inside the seismic mass. In this way, a large design and dimensioning space for the sensing device is supported, wherein in an arrangement within the sensing device, a design is advantageously minimized.
  • a further preferred embodiment of the sensing device according to the invention is characterized in that in each case one of the compensation voltages to a respective comb electrode on a side surface of the seismic mass or wherein both compensation voltages at comb electrodes can be applied substantially simultaneously on different side surfaces of the seismic mass.
  • sensing device can be used in laterally or vertically sensing sensor devices. As a result, a large application latitude for the sensing device according to the invention is advantageously supported.
  • a further advantageous development of the method according to the invention provides that the operating time of the sensor device determines how large the offset is and the compensation voltages are readjusted accordingly. This advantageously makes it possible to carry out the method several times, with only a slight correction of the compensation voltage being required in each case.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of a sensor device with a
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a detail of a comb electrode in an embodiment of the sensing device according to the invention
  • Fig. 6 is a schematic representation of a sequence of an embodiment of the method according to the invention.
  • a sensor signal may have an offset error. This can have an alternating voltage term, which is generated under real operating conditions due to vibrations.
  • a DC offset term of the offset error contains essentially two parts: an internal offset originating from the sensor itself (such as the raw offset, chip mounting error) and an external DC input representing the true acceleration signal. The internal part should be corrected and the external part should be able to be measured correctly.
  • the real signal in a low-G acceleration sensor eg with a typical detection range of about 5G
  • One possible way to do this is to set the offset.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an electronic system for a MEMS-based capacitive acceleration sensor 200 with an embodiment of the inventive sensing device 100 with comb electrodes 30.
  • an offset (mechanical zero deviation) of a Sensierselements 20 and a Sensiersignal using the ⁇ C or ⁇ C / ⁇ C principle first converted into an electrical voltage, followed by a
  • the measured offset signal is used to calculate the required compensation electrical voltage applied to at least one of the comb electrodes 30 on the C1 side ("top") or C2 side ("bottom") to compensate for the sensor offset. It is possible to apply one of the two electrical compensation voltages V1, V2 only on one side, whereby the Sensierelement 20 is pulled in one direction. When applying the other compensation voltage V1, V2 on the other side, the sensing element 20 is then pulled in the other direction. It is also also possible to apply the compensation voltages V1, V2 on both sides and thereby bring the sensing element 20 in the neutral position. In this case, the difference of the compensation voltages V1, V2 acts on the comb electrodes 30 of the seismic mass 10.
  • FIG. 1 shows a basic block diagram of an embodiment of the inventive sensing device 100 for a micromechanical sensor device 200.
  • the sensing element 20 can be designed, for example, as a capacitive, an inductive or an optical electrode.
  • At least one comb electrode 30, to which an electrical compensation voltage V1, V2 is applied, is arranged on an upper side or a lower side of a seismic mass 10 of the sensing device 100.
  • a capacitance-voltage converter 40 is provided, which converts capacitance changes of the sensing elements 20 of the sensing device 100 into electrical voltages. Downstream of the capacitance-voltage converter 40 is an analog-to-digital converter 50, which is followed by a low-pass filter 60, which supplies the electrical output voltage V out . The output voltage V out is fed in a feedback branch to a digital-to-analog converter 70, which drives an offset voltage generator 80, which provides the compensation voltage V for the sensing device 100. By means of the compensation voltage V, the sensing element 20 is set to a mechanical zero point.
  • the said compensation voltage is applied once in each case and then remains applied. It is conceivable, however also, that the zero deviation (eg by a temperature gradient, aging effect, etc.) during the operating time of the sensor device 200 is re-determined at regular intervals and then set again.
  • the resulting zero point settings are only very slightly.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the sensing device 100 according to the invention.
  • Sense electrodes 20 are arranged on two side surfaces of the seismic mass 10.
  • two comb electrodes 30 are respectively arranged on an upper side and a lower side of the seismic mass 10 , to each of which an electrical compensation voltage V1 and V2 is applied. In this way, an electrostatic force is exerted on the seismic mass 10 along the directions of determination R, whereby the seismic mass 10 is set in the neutral position.
  • the said compensation voltages V1, V2 are preferably determined once during a manufacturing process in a calibration phase of the sensor device and applied so as to remain applied during the entire operating period of the sensing device 100.
  • a single compensation voltage V1, V2 is applied to one of the comb electrodes 30 on a side surface of the seismic mass 10 to compensate for the offset.
  • Fig. 3 shows a single finger 32 and a fork 31 of a comb electrode
  • Recognizable are the detection directions R of the Sensierelements 20, wherein the finger 32 in one of the fork
  • a geometric lateral distance of the finger 32 from the fork 31 is d1
  • a geometric depth dimension of the finger 32 is d2.
  • the force F x is still corrected using a constant.
  • the electrostatic force is independent of the finger deflection and remains substantially constant at all times.
  • a closed-loop configuration for the sense element 20 to which the compensation voltages V1, V2 could also be applied to perform offset correction is not required.
  • the use of the sensing element 20 as a correction electrode can easily lead to the so-called snap effect, in which a holding voltage is no longer sufficient to hold an electrode in a defined position. A sensing behavior of such a sensor device would disadvantageously be very impaired.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the sensing device 100 according to the invention. It can be seen that the sensing device 100 is now designed as a vertical detection device, wherein the comb electrodes 30 are now arranged laterally on the seismic mass 10. The sensing elements 20 for detecting the acceleration are not shown in FIG. 4. A spring 33 arranged on the rear side of the seismic mass 10, which serves to stabilize the seismic mass 10, can be seen. In principle, the configuration of FIG. 4 is therefore used only for sensing directions R other than those of FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a further configuration of the sensing device 100 according to the invention. It can be seen that in this configuration the comb electrodes 30 are arranged within the seismic mass 10, which offers the advantage that spatial conditions of the sensor device 200 are utilized in the best possible way and the sensing device 100 is formed as space-saving as possible.
  • the asymmetrical configuration of the seismic mass 10 serves to provide a defined restoring force of the spring 33.
  • the comb electrodes 30 can be formed on an oxide or nitride layer of the substrate, wherein the electrical connection for the comb electrodes 30 can be realized by means of a buried, highly conductive silicon layer.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of an embodiment of the method according to the invention.
  • a determination of a mechanical offset of a seismic mass 10 of the sensing device 100 is performed.
  • a constant electrical compensation voltage V1, V2 is applied at least once to at least two comb electrodes 30 arranged on opposite side surfaces of the seismic mass 10 along a sensing direction.
  • a third step S3 the sensing device 100 is set to a zero position by means of the electrostatic force caused by the compensation voltage V1, V2.
  • the present invention provides an improved
  • Sensing device for a micromechanical sensor device provided.
  • the compensation of the zero point deviation by means of an electric compensation voltage applied to comb electrodes has no influence on the sensing behavior of the micromechanical sensor. Due to the
  • inventive principle of using a comb electrode to compensate for an offset can advantageously be used not only for capacitive acceleration sensors, but also for other capacitive MEMS sensors, such as for gyro or pressure sensors.
  • the comb electrodes can be dimensioned and quantified according to individual requirements of the sensor device, whereby, for example, taking into account the acceleration forces acting on the sensor, many short or a few long comb electrodes can be provided.

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Abstract

Sensiereinrichtung (100) für eine mikromechanische Sensorvorrichtung (200), aufweisend: - eine entlang einer Sensierrichtung (R) bewegliche seismische Masse (10); und - wenigstens ein orthogonal zur Sensierrichtung (R) an einer Seite der seismischen Masse (10) angeordnetes Sensierelement (20); gekennzeichnet durch - wenigstens jeweils eine orthogonal zum Sensierelement (20) an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse (10) angeordnete Kammelektrode (30); - wobei an die wenigstens zwei Kammelektroden (30) jeweils eine konstante elektrische Kompensationspannung (V1,V2) zum Kompensieren eines mechanischen Offsets des Sensierelements (20) anlegbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Sensiereinrichtung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung.
Stand der Technik
MEMS- (engl, micro-electromechanical-sytems) basierte kapazitive Initialsensoren, wie beispielsweise Beschleunigungsaufnehmer, Gyroskope und Drucksensoren werden heutzutage insbesondere in KFZ-Anwendungen (z.B. in Airbags, Antiblockiersystemen, elektronischen Stabilitätsprogrammen, usw.) und im Con- sumer-Bereich (z.B. Spiele, Mobiletelefone, Navigationssysteme, usw.) vielfach eingesetzt. Der Sensor-Offset ist dabei einer der wichtigsten Sensorparameter, der normalerweise während einer Sensorkalibrierung ermittelt wird. Der Sensor- Offset hat einen großen Einfluss auf andere Sensorparameter, wobei einer dieser Parameter die Vibrationsrobustheit ist, welche insbesondere in Anwendungen des KFZ-Bereichs eine große Bedeutung hat, da die Sensoren oftmals mit Beschleunigungswerten beaufschlagt werden, die nicht in ihrem Messbereich liegen.
Die Vibrationsrobustheit ist abhängig von verschiedenen Faktoren. In kapazitiven Beschleunigungsaufnehmern haben viele Sensorparameter (wie z.B. der Sensoroffset, parasitäre Kapazitäten, Übertragungsfunktion, usw.) einen großen Einfluss auf die Vibrationsrobustheit und damit das gesamte Sensorsystem.
DE 10 2006 049 960 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen eines Offsets eines mikromechanischen Sensorelements, bei dem ein Offset(fehler) gezielt derart eingestellt wird, indem ein Ruhewert eines Aus- gangssignals auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Auf diese Weise kann ein Ausgangssignal des Sensorelements beeinflusst werden.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit einem verbesserten Betriebsverhalten bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung, aufweisend: eine entlang einer Sensierrichtung bewegliche seismische Masse; und
- wenigstens ein orthogonal zur Sensierrichtung an einer Seite der seismischen Masse angeordnetes Sensierelement; gekennzeichnet durch
- wenigstens jeweils eine orthogonal zum Sensierelement an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse angeordnete Kammelektrode;
- wobei an die wenigstens zwei Kammelektroden jeweils eine konstante elektrische Kompensationsspannung zum Kompensieren eines mechanischen Offsets des Sensierelements anlegbar ist.
Aufgrund der Tatsache, dass die verwendete Kammelektrode keine Variation der Kraftwirkung in Abhängigkeit vom Abstand kennt, können vorteilhaft keinerlei Schnappeffekte wie bei Plattenkondensatoren auftreten. Dadurch wird vorteilhaft ein Offsetfehler im Wesentlichen dauerhaft beseitigt und eine Vibrationsrobust- heit des Sensors erhöht. Auf Detektionseigenschaften des Sensors hat die verwendete Kompensation des Offsets vorteilhaft keinerlei Einfluss. Das Sensierelement ist bei einer fehlenden externen Beschleunigung im Wesentlichen stets in der exakten Ruhelage, wodurch die Sensorvorrichtung sehr linear arbeiten kann. Symmetrische Arbeitsbedingungen werden für den Sensor in der Signalkette somit vorteilhaft früh bereitgestellt.
Die Erfindung wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer Sensiereinrichtung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung, aufweisend:
Ermitteln eines mechanischen Offsets eines Sensierelements einer seismischen Masse der Sensiereinrichtung; - wenigstens einmaliges Anlegen einer im Wesentlichen konstanten elektrischen Kompensationsspannung an wenigstens eine von zwei jeweils an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse entlang einer Sensierrichtung angeordneten Kammelektroden;
- wobei mittels der durch die Kompensationsspannung bewirkten elektrostatischen Kraft das Sensierelement in eine Nullpunktslage gestellt wird.
Die Erfindung wird ferner gelöst mit einer Verwendung von Verwendung von Kammelektroden zum Kompensieren eines Offsets einer mikromechanischen Sensorvorrichtung, wobei eine elektrische Kompensationsspannung wenigstens einmal an Kammelektroden einer seismischen Masse einer Sensiereinrichtung angelegt wird und über die Betriebsdauer der Sensorvorrichtung angelegt bleibt.
Auf diese Weise wird die Nullpunktslage der Sensiereinrichtung mechanisch eingestellt. Vorteilhaft kann dies ein oder auch mehrmals durchgeführt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensierinrichtung sieht vor, dass an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse jeweils mehrere Kammelektroden angeordnet sind. Dadurch kann vorteilhaft eine Einstelleigenschaft der Sensorvorrichtung verbessert werden, weil auf individuelle Erfordernisse bestmöglich eingegangen wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kammelektroden außerhalb oder innerhalb der seismischen Masse angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine großer Gestaltungs- und Dimensionierungsspielraum für die Sensiereinrichtung unterstützt, wobei bei einer Anordnung innerhalb der Sensiereinrichtung eine Bauform vorteilhaft minimiert ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine der Kompensationsspannungen an jeweils eine Kammelektrode an einer Seitenfläche der seismischen Masse oder wobei beide Kompensationsspannungen an Kammelektroden an unterschiedlichen Seitenflächen der seismischen Masse im Wesentlichen gleichzeitig anlegbar sind. Dadurch werden in vorteilhafter Weise mehrere Betriebsarten für die Sensiereinrichtung unterstützt, wobei die Prinzipien des einseitigen (engl, single-sided-driving) und zweiseitigen (engl, double-sided-driving) Betreibens ermöglicht sind.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung sehen vor, dass die Sensiereinrichtung in lateral oder vertikal sensierenden Sensorvorrichtungen verwendbar ist. Dadurch ist vorteilhaft ein großer Anwendungsspielraum für die erfindungsgemäße Sensiereinrichtung unterstützt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kompensationsspannung während der Betriebsdauer der Sensorvor- richtung angelegt bleibt. Vorteilhaft resultiert dies in effizient durchzuführenden singulären Justier- bzw. Kompensationsvorgängen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kompensationsspannung Änderungen des Offsets des Sensierelements berücksichtigt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Temperaturgang des
Offsets bzw. der Nullpunktsabweichung berücksichtigt werden. Somit können Arbeitsbedingungen für eine Auswerteschaltung der Sensorvorrichtung erleichtert werden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass über die Betriebsdauer der Sensorvorrichtung ermittelt wird, wie groß der Offset ist und die Kompensationsspannungen entsprechend nachgestellt werden. Dies erlaubt vorteilhaft ein mehrmaliges Durchführen des Verfahrens, wobei jeweils nur eine geringfügige Korrektur der Kompensationsspannung er- forderlich ist.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegen- stand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren dienen vor allem zu einer Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise der Erfindung und sind nicht dazu gedacht, dass ihnen konkrete Schaltungsdetails oder Grössen- abmessungen entnommen werden können.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung mit einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Sensiereinrichtung;
Fig. 3 ein Detail einer Kammelektrode in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung; und
Fig. 6 eine prinzipielle Darstellung eines Ablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein Sensorsignal kann einen Offsetfehler aufweisen. Dieser kann einen Wech- selspannungsterm aufweisen, welcher unter realen Betriebsbedingungen aufgrund von Vibrationen generiert wird. Ein Gleichspannungsterm des Offsetfehlers enthält im Wesentlichen zwei Anteile: einen internen Offset, der vom Sensor selbst stammt (wie zum Beispiel der Raw-Offset, Chip-Montierfehler) und ein externer Gleichspannungseingang, welcher das echte Beschleunigungssignal darstellt. Der interne Anteil sollte korrigiert werden und der externe Anteil sollte korrekt gemessen werden können. Normalerweise ist das reale Signal in einem Niedrig-G Beschleunigungssensor (z.B. mit einem typischen Detektionsbereich von ca. 5G) viel kleiner als der auftretende Sensoroffset. Daher ist es im Prinzip möglich, den Gleichspannungs- term zu reduzieren, wobei der Offsetfehler aufgrund von Vibrationen minimiert werden kann. Ein möglicher Weg dazu besteht darin, den Offset einzustellen. Eine der zu diesem Zweck eingesetzten Methoden ist die Verwendung einer Closed-Loop Kraft Rückkopplung, d.h. die Beaufschlagung mit einer Rückkopplungskraft, die aufgebracht wird, um den Sensor in einer Nullposition zu halten. Sensoren, die dieses Prinzip verwenden, sind sehr präzise. Allerdings benötigt ein derartiges System stabile und rauscharme Rückkopplungsspannungen. Daher ist ein dynamischer Sensierbereich durch die maximal erreichbare stabile Rückkopplungsspannung begrenzt. Außerdem sind derartige Sensoren sehr kostspielig.
Ein anderes bekanntes Konzept um die Offsetfehler zu reduzieren, ist eine Kompensation von parasitären Kapazitäten zwischen Bonddrähten unter Verwendung von Schaltern, die von Steuersignalen angesteuert werden. Unter Verwendung dieses Prinzips, können Offsetsehler reduziert werden, die durch das Laden der genannten parasitären Kapazitäten induziert werden, beispielsweise durch Abstandsänderungen oder das Dielektrikum zwischen den Bonddrähten als Folge von Temperaturänderungen und Alterungseffekten. Allerdings berücksichtigt dieses Verfahren nicht den internen Sensoroffset. Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines elektronischen Systems für einen MEMS- basierten kapazitiven Beschleunigungssensor 200 mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung 100 mit Kammelektroden 30. Im Prinzip wird sowohl ein Offset (mechanische Nullpunktsabweichung) eines Sensier- elements 20 als auch ein Sensiersignal unter Anwendung des ÄC oder ÄC/^C Prinzips zunächst in eine elektrische Spannung konvertiert, gefolgt von einer
Analog-zu-Digital Konversion und Tiefpassfilterung. Das gemessene Offsetsignal wird zu einer Berechnung der erforderlichen elektrischen Kompensationsspannung benutzt, welche auf wenigstens eine der Kammelektroden 30 auf der C1 - Seite („oben") oder C2-Seite („unten") angelegt wird, um den Sensoroffset zu kompensieren. Es ist dabei möglich, eine der beiden elektrischen Kompensationsspannungen V1 , V2 lediglich auf einer Seite anzulegen, wodurch das Sensierelement 20 in eine Richtung gezogen wird. Bei Anlegen der anderen Kompensationsspannung V1 , V2 auf der anderen Seite wird das Sensierelement 20 sodann in die andere Richtung gezogen. Es ist ferner auch möglich, die Kompensationsspannungen V1 , V2 auf beiden Seiten anzulegen und dadurch das Sensierelement 20 in die Nullpunktslage zu bringen. In diesem Fall wirkt die Differenz der Kompensationsspannungen V1 , V2 auf die Kammelektroden 30 der seismischen Masse 10.
In Fig. 1 zeigt also ein prinzipielles Blockdiagramm einer Ausführungsform der er- findungsgemäßen Sensiereinrichtung 100 für eine mikromechanische Sensorvorrichtung 200. Man erkennt die Sensiereinrichtung 100, an der das Sensierelement 20 an einer seismischen Masse 10 (nicht dargestellt) angeordnet ist, wobei das Sensierelement 20 zum Erfassen einer Inertial-Messgröße (z.B. Beschleunigung, Drehrate) dient. Das Sensierelement 20 kann zum Beispiel als ei- ne kapazitive, eine induktive oder als eine optische Elektrode ausgebildet sein.
An einer Oberseite bzw. einer Unterseite einer seismischen Masse 10 der Sensiereinrichtung 100 ist wenigstens eine Kammelektrode 30 angeordnet, an die eine elektrische Kompensationsspannung V1 , V2 angelegt wird.
Vorgesehen ist ein Kapazitäts-Spannungs-Umsetzer 40, der Kapazitätsänderungen der Sensierelemente 20 der Sensiereinrichtung 100 in elektrische Spannungen umsetzt. Dem Kapazitäts-Spannungs-Umsetzer 40 nachgeschaltet ist ein Analog-Digital-Umsetzer 50, dem ein Tiefpass 60 nachgeschaltet ist, der die elektrische Ausgangsspannung Vaus liefert. Die Ausgangsspannung Vaus wird in einem Rückkopplungszweig einem Digital-Analog-Umsetzer 70 zugeführt, der einen Offsetspannungserzeuger 80 ansteuert, der für die Sensiereinrichtung 100 die Kompensationsspannung V bereitstellt. Mittels der Kompensationsspannung V wird das Sensierelement 20 auf einen mechanischen Nullpunkt eingestellt. Dies wird durch eine aufgrund der Kompensationsspannung V generierte elektrostatische Kraft auf das Sensierelement 20 bewirkt, die das Sensierelement 20 in die mechanische Nullpunkts- bzw. Ruhelage bewegt und dort permanent hält, aufgrund der Tatsache, dass die Kompensationsspannung V während der gesamten Betriebsdauer der Sensorvorrichtung 200 permanent angelegt bleibt. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die genannte Kompensationsspannung jeweils einmalig angelegt wird und danach angelegt bleibt. Denkbar ist aber auch, dass die Nullpunktsabweichung (z.B. durch einen Temperaturgang, Alterungseffekt, usw.) während der Betriebsdauer der Sensorvorrichtung 200 in regelmäßigen Abständen neu ermittelt und danach erneut eingestellt wird. Vorteilhaft sind die daraus resultierenden Nullpunktseinstellungen jeweils nur sehr geringfügig.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensier- einrichtung 100. Man erkennt an zwei Seitenflächen der seismischen Masse 10 angeordnete Sensierelektroden 20. In Sensierrichtungen R der seismischen Masse 10 sind an einer Oberseite und einer Unterseite der seismischen Masse 10 jeweils zwei Kammelektroden 30 angeordnet, an die jeweils eine elektrische Kompensationsspannung V1 bzw. V2 angelegt wird. Auf diese Weise wird auf die seismische Masse 10 eine elektrostatische Kraftwirkung entlang den Ermittlungsrichtungen R ausgeübt, wodurch die seismische Masse 10 in die Nullpunktslage versetzt wird.
Die genannten Kompensationsspannungen V1 , V2 werden vorzugsweise während eines Fertigungsprozesses in einer Kalibrierungsphase der Sensorvorrichtung einmalig ermittelt und angelegt um dann während der gesamten Betriebsdauer der Sensiereinrichtung 100 angelegt zu bleiben. Denkbar ist natürlich auch, dass zur Kompensation des Offsets lediglich eine einzige Kompensationsspannung V1 , V2 an eine der Kammelektroden 30 an einer Seitenfläche der seismischen Masse 10 angelegt wird.
Fig. 3 zeigt einen einzelnen Finger 32 und eine Gabel 31 einer Kammelektrode
30 in einer dreidimensionalen Darstellung. Erkennbar sind die Erfassungsrichtungen R des Sensierelements 20, wobei der Finger 32 in einen von der Gabel
31 begrenzten Kraftwirkungsbereich eintauchen kann. Ein geometrischer Seitenabstand des Fingers 32 von der Gabel 31 beträgt d1 , eine geometrische Tiefenabmessung des Fingers 32 beträgt d2. Auf diese Weise ergibt sich eine laterale Kraft Fx zwischen dem Finger 32 und der Gabel 31 der Kammelektrode 30 gemäß folgender mathematischer Beziehung: Mit den Parametern:
Fx laterale Kraft
N Anzahl der Finger
εθ Permittivität im Vakuum
ε relative Permittivität
d2 Dicke des Fingers
d1 Spalt zwischen Gabel und Finger
V angelegte elektrische Spannung
Üblicherweise wird die Kraft Fx noch unter Verwendung einer Konstante korrigiert. Bei einer konstanten elektrischen Spannung V ist die elektrostatische Kraft unabhängig von der Fingerauslenkung und bleibt im Wesentlichen stets konstant.
Daher ist bei Verwendung einer Kammelektrode 30 eine Closed-Loop- Konfiguration für das Sensierelement 20, an welches die Kompensationsspannungen V1 , V2 ebenfalls angelegt werden könnte, um eine Offsetkorrektur durchzuführen, nicht erforderlich. Obendrein kann es in nachteiliger weise bei der Verwendung des Sensierelements 20 als Korrekturelektrode leicht zum so genannten Schnappeffekt kommen, bei dem eine Haltespannung nicht mehr ausreicht, um eine Elektrode in einer definierten Lage zu halten. Ein Sensier- verhalten einer derartigen Sensorvorrichtung wäre nachteiligerweise sehr beeinträchtigt.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensier- einrichtung 100. Es ist erkennbar, dass die Sensiereinrichtung 100 nunmehr als eine vertikale Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, wobei die Kammelektroden 30 nunmehr seitlich an der seismischen Masse 10 angeordnet sind. Die Sensier- elemente 20 zum Erfassen der Beschleunigung sind in Fig. 4 nicht dargestellt. Erkennbar ist eine an der Rückseite der seismischen Masse 10 angeordnete Feder 33, die dazu dient, die seismische Masse 10 zu stabilisieren. Im Prinzip wird die Konfiguration von Fig. 4 also lediglich für andere Sensierrichtungen R verwendet als jene von Fig. 3.
Fig. 5 zeigt eine weitere Konfiguration der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung 100. Man erkennt, dass in dieser Konfiguration die Kammelektroden 30 innerhalb der seismischen Masse 10 angeordnet sind, was den Vorteil bietet, dass räumliche Verhältnisse der Sensorvorrichtung 200 bestmöglich ausgenutzt werden und die Sensiereinrichtung 100 möglichst raumsparend ausgebildet ist. Die asymmetrische Ausgestaltung der seismischen Masse 10 dient zur Bereit- Stellung einer definierten Rückstell kraft der Feder 33.
Die Kammelektroden 30 können auf einer Oxid- oder Nitritschicht des Substrats ausgebildet werden, wobei die elektrische Verbindung für die Kammelektroden 30 mittels einer vergrabenen, hochleitenden Siliziumschicht realisiert werden können.
Fig. 6 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird ein Ermitteln eines mechanischen Offsets einer seismischen Masse 10 der Sensiereinrichtung 100 durchgeführt.
In einem zweiten Schritt S2 wird wenigstens einmalig eine konstante elektrische Kompensationsspannung V1 ,V2 an wenigstens zwei an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse 10 entlang einer Sensierrichtung angeordnete Kammelektroden 30 angelegt.
Schließlich wird in einem dritten Schritt S3 mittels der durch die Kompensationsspannung V1 ,V2 bewirkten elektrostatischen Kraft die Sensiereinrichtung 100 in eine Nullpunktslage gestellt.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte
Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung bereitgestellt. Vorteilhaft hat die Kompensation der Nullpunktsabweichung mittels einer an Kammelektroden angelegten elektrischen Kompensationsspannung keinerlei Ein- fluss auf das Sensierverhalten des mikromechanischen Sensors. Aufgrund der
Tatsache, dass bei Kammelektroden die generierte Kraft unabhängig von der Auslenkung der Elektrodenfinger stets konstant ist, ist ein lineares Betriebsverhalten der Sensorvorrichtung unterstützt, wodurch vorteilhaft symmetrische Arbeitsbedingungen für den Sensor realisiert. Aufgrund des jeweils einmaligen Vorgangs des Ausgleichens der Nullpunktsabweichung kann eine Linearität des
Betriebsverhaltens der Sensorvorrichtung bedeutsam verbessert werden. Das erfindungsgemäße Prinzip des Verwendens einer Kammelektrode zum Kompensieren eines Offsets kann vorteilhaft nicht nur für kapazitive Beschleunigungssensoren, sondern auch für andere kapazitive MEMS-Sensoren verwendet werden, wie z.B. für Gyro- oder Drucksensoren.
Vorteilhaft können die Kammelektroden nach individuellen Erfordernissen der Sensorvorrichtung dimensioniert und quantifiziert werden, wodurch beispielsweise unter Berücksichtigung der auf den Sensor einwirkenden Beschleunigungskräfte viele kurze, oder wenige lange Kammelektroden vorgesehen sein können.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird also auch Ausführungsformen realisieren, die vorgehend nur teilweise oder nicht offenbart sind, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche Sensiereinrichtung (100) für eine mikromechanische Sensorvorrichtung (200), aufweisend: eine entlang einer Sensierrichtung (R) bewegliche seismische Masse (10); und- wenigstens ein orthogonal zur Sensierrichtung (R) an einer Seite der seismischen Masse (10) angeordnetes Sensierelement (20); gekennzeichnet durch - wenigstens jeweils eine orthogonal zum Sensierelement (20) an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse (10) angeordnete Kammelektrode (30); - wobei an die wenigstens zwei Kammelektroden (30) jeweils eine konstante elektrische Kompensationspannung (V1 ,V2) zum Kompensieren eines mechanischen Offsets des Sensierelements (20) anlegbar ist. Sensiereinrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse (10) jeweils mehrere Kammelektroden (30) angeordnet sind. Sensiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammelektroden (30) ausserhalb oder innerhalb der seismischen Masse (10) angeordnet sind. Sensiereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeweils eine der Kompensationsspannungen (V1 ,V2) an jeweils eine Kammelektrode (30) an einer Seitenfläche der seismischen Masse (10) oder wobei beide Kompensationsspannungen (V1 ,V2) an Kammelektroden (30) an unterschiedlichen Seitenflächen der seismischen Masse (10) im Wesentlichen gleichzeitig anlegbar sind. Sensiereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensiereinrichtung (100) in lateral oder vertikal sensierenden Sensorvorrichtungen (200) verwendbar ist. Sensorvorrichtung (200) aufweisend eine Sensiereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensorvorrichtung (200) ein mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor ist. Verfahren zum Betreiben einer Sensiereinrichtung (100) einer mikromechanischen Sensorvorrichtung (200), aufweisend: Ermitteln eines mechanischen Offsets eines Sensierelements (20) einer seismischen Masse (10) der Sensiereinrichtung (100); - wenigstens einmaliges Anlegen einer im Wesentlichen konstanten elektrischen Kompensationsspannung (V1 ,V2) an wenigstens eine von zwei jeweils an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse (10) entlang einer Sensierrichtung (R) angeordneten Kammelektroden (30); - wobei mittels der durch die Kompensationsspannung (V1 ,V2) bewirkten elektrostatischen Kraft das Sensierelement (20) in eine Nullpunktslage gestellt wird. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kompensationsspannung (V1 ,V2) während der Betriebsdauer der Sensorvorrichtung (200) angelegt bleibt. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Kompensationsspannung (V1 ,V2) Änderungen des Offsets des Sensierelements (20) berücksichtigt. 0. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei über die Betriebsdauer der Sensorvorrichtung (200) ermittelt wird, wie groß der Offset ist und die Kompensationsspannungen (V1 ,V2) entsprechend nachgestellt werden.
1. Verwendung von Kammelektroden (30) zum Kompensieren eines Offsets einer mikromechanischen Sensorvorrichtung (200), wobei eine elektrische Kompensationsspannung (V1 ,V2) wenigstens einmal an Kammelektroden (30) einer seismischen Masse (10) einer Sensiereinrichtung (100) angelegt wird und über die Betriebsdauer der Sensorvorrichtung (200) angelegt bleibt.
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