WO2017202611A1 - Mikromechanisches bauteil für eine drucksensorvorrichtung - Google Patents

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Jochen Reinmuth
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01P2015/0825—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 out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828—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 out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical component for a
  • Pressure sensor device and a pressure sensor device likewise relates to a method for producing a micromechanical component for a pressure sensor device. Furthermore, the invention relates to a
  • US 2014/0060169 A1 describes a pressure sensor with a rocker structure that can be tilted about an axis of rotation.
  • the rocker structure has a first actuator electrode on a first side of the axis of rotation and a second actuator electrode on a second side of the axis of rotation.
  • the rocker structure is enclosed in an airtight housing, wherein a membrane disposed on the housing has a reference pressure present in the housing of a present in an outer volume of the housing
  • the housing also has a first stator electrode associated with the first actuator electrode and one of the second
  • Actuator associated second stator on.
  • the invention provides a micromechanical component having the features of claim 1, a pressure sensor device having the features of claim 11, a use of a micromechanical component for measuring a pressure deviation with the features of claim 12 and a method for Producing a micromechanical component for a pressure sensor device with the features of claim 13.
  • the present invention provides possibilities for determining a
  • the present invention thus facilitates the determination of the pressure change by evaluating the
  • the present invention thus contributes to the reduction of the manufacturing costs of pressure sensor devices and to their minimization.
  • the present invention despite the use of a simple evaluation system requiring little installation space, a change in pressure can be ascertained with comparatively high accuracy and with a relatively low error rate.
  • the present invention contributes to the realization of pressure sensor devices which can be easily adjusted and react relatively insensitive to external stress.
  • a first mean basic distance of the at least one first stator electrode to the at least one first actuator electrode present in its starting position deviates from a second average basic distance of the at least one second stator electrode to the at least one second actuator electrode present in its starting position. This brings about the advantageous different capacitances between the stator electrodes and the actuator electrodes present in their initial positions.
  • a first surface area of a first electrode surface of the at least one first stator electrode deviates from a second surface area of a second electrode surface of the at least one second stator electrode.
  • the at least one first stator electrode may have an additional insulating covering in comparison with the at least one second stator electrode.
  • Pressure deviation of the external pressure of a working pressure pw be designed by:
  • AI is the first area of the first electrode area of the at least one first stator electrode
  • A2 is the second area of the second area
  • Electrode surface of the at least one second stator electrode, Gl the first mean base distance of the at least one first stator electrode to the at least one first actuator electrode present in its initial position, G2, the second mean base distance of the at least one second
  • a first sensitivity of a first capacitor of the at least one first actuator electrode and the at least one first stator electrode and S2 second sensitivity of a second capacitor of the at least one second actuator electrode and the at least one second Stator are. As detailed below, this causes the advantageous linearity of the capacitance change / total capacitance change to the pressure change.
  • the first area of the first electrode area of the at least one first stator electrode may be made equal to the second area of the second electrode area of the at least one second stator electrode, the first sensitivity equal to the second sensitivity, and a difference between the first average base distance and the second average base distance in that at the working pressure a first mean distance of the at least one first stator electrode to the at least one first actuator electrode is equal to a second average distance of the at least one second stator electrode to the at least one second actuator electrode.
  • the first mean base distance may be equal to the second mean base distance and the first sensitivity may be equal to the second sensitivity, and it may be:
  • the first mean base distance may be equal to the second mean base distance
  • the first sensitivity is different from the second sensitivity
  • the first area of the first electrode area of the at least one first stator electrode may be different than the second area of the second electrode area of the at least one second stator electrode, and it may be:
  • the at least one first stator electrode has a first average rotational axis distance from the rotational axis, not equal to a second average rotational axis distance of the at least one second
  • first mean base distance equal to the second mean base distance and the first area of the first electrode area of the at least one first stator electrode may be equal to the second area of the second electrode area of the at least one second stator electrode, and the at least one first stator electrode may be the one compared to the at least one a second stator electrode having additional insulating covering.
  • Pressure sensor device the advantages described.
  • the method can be further developed in accordance with the above-described embodiments of the micromechanical component.
  • Fig. La and lb are schematic representations of a first embodiment of the micromechanical component
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the micromechanical component
  • FIG. 3 is a schematic representation of a third embodiment of the micromechanical component.
  • micromechanical components described below can be advantageously used in particular for a pressure sensor device. However, it is pointed out that usability of the micromechanical components is not limited to this intended use.
  • 1a and 1b show schematic representations of a first embodiment of the micromechanical component.
  • the micromechanical component shown schematically in FIGS. 1 a and 1 b has a housing 10, of which, for the sake of clarity, only one support plate / substrate 12 is shown in FIGS. 1 a and 1 b.
  • the housing 10 surrounds an inner volume 14 airtight, wherein a membrane 16 of the housing 10 delimits a reference pressure pr present in the inner volume 14 from an outer pressure p present in an outer volume 18.
  • the membrane 16 may be structured by the support plate 12
  • Reference pressure pr is preferably (nearly) equal to zero.
  • a vacuum may be present in the interior volume 14.
  • the micromechanical component also comprises a rocker structure 22 which can be tilted / rotated about an axis of rotation 20 and which preferably lies in the rocker structure 22
  • the rocker structure 22 is formed with at least one first actuator electrode 24a lying on a first side of the rotation axis 20 and with at least one second actuator electrode 24b lying on a second side of the rotation axis 20.
  • the rocker structure 22 is connected to the membrane 16 such that at a pressure equality between the external pressure p and the reference pressure pr the rocker structure 22 and its actuator electrodes 24a and 24b are present in their initial positions.
  • FIG. 1 a shows the rocker structure 22 at an external pressure p (approximately) equal to the reference pressure pr.
  • Fig. 1b shows a situation in which the external pressure p present in the outer volume 18 is equal to a working pressure pw (deviating from the reference pressure pr). It can be seen that this pressure inequality between the external pressure p and the
  • Reference pressure pr results in a compressive force 26, which the membrane 16 bulges out or in and leads to that in Fig. Lb the rocker structure 22 from the (shown in Fig. La) starting position is rotated about the axis of rotation 20 is present.
  • the working pressure pw can be understood to mean an external pressure p, which as a rule is present in a field of application of the micromechanical component.
  • the micromechanical component of FIGS. 1a and 1b is "designed" in particular for the working pressure pw, ie the micromechanical component is designed to produce a deviation of the external pressure p from the working pressure pw or a difference between the external pressure p and the working pressure pw. to eat.
  • the micromechanical component also has at least one first stator electrode 28a fixedly arranged on the housing 10 and associated with the at least one first actuator electrode 24a. Accordingly, at least one of the at least one second actuator electrode 24b is associated second
  • Stator electrode 28b fixed to the housing 10.
  • a fixed arrangement of the stator electrodes 28a and 28b on the housing 10 is understood to mean that a position / position of the stator electrodes 28a and 28b (in contrast to a position / position of the actuator electrodes 24a and 24b) by a tilting movement of the rocker structure 22 about the axis of rotation 20th is not affected.
  • the stator electrodes 28 a and 28 b are fastened on a surface of the carrier plate 12 delimiting the internal volume 14, wherein the stator electrodes 28 a and 28 b are optionally insulated from the carrier plate 12 by means of at least one insulating layer 30.
  • (further) stator electrodes may also be fastened to the housing 10 on a side of the rocker structure 22 directed away from the carrier plate 12 and / or the membrane 16.
  • a pressure sensor device equipped with the rocker structure 22 is also often referred to as a differential pressure sensor which measures an external pressure p by warping the diaphragm 16 and the resulting tilting / rotation of the rocker structure 22 about the axis of rotation 20 by a total capacitance change AC of a sum a first capacitor Cl of a first capacitor of the at least one first actuator electrode 24a and the at least one first stator electrode 28a and a second capacitor C2 of a second capacitor of the at least one second actuator electrode 24b and the at least one second
  • the first capacity Cl is defined according to equation (equation 1) with: AI
  • AI includes a first electrode area (first total electrode area) of the at least one first stator electrode 28a and dl (p) (of FIG.
  • the first electrode area / total electrode area Al is a
  • the second capacitance C2 is defined according to equation (Eq. 2) with:
  • A2 is a second electrode area (second total electrode area) of the at least one second stator electrode 28b and d2 (p) (of FIG.
  • the second electrode area / total electrode area A2 indicates a surface area / total area content of at least one surface of the at least one second stator electrode 28b aligned with the rocker structure 22.
  • Stator electrode 28b to the at least one present in its initial position second actuator electrode 24b indicates.
  • the at least one first actuator electrode 24a has a first average displacement Ad1 (p) from its initial position and the at least one second actuator electrode 24b has a second average displacement Ad2 (p) from its initial position.
  • the first The mean distance dl (p) and the second mean distance d2 (p) can thus be written according to equations (equation 3) and (equation 4):
  • first capacitor (from the at least one first actuator electrode 24a and the at least one first stator electrode 28a) is a first
  • Equation 6 For a second sensitivity S2 of the second capacitor (from the at least one second actuator electrode 24b and the at least one second stator electrode 28b) equation (equation 6) applies with:
  • Equation 10 is zero if the condition of equation (equation 10) is met with: dp 2 CGI 10) A 1 * S1 - ( G 1 ⁇ S1 * P W ) 3
  • Equation (equation 10) can also be transformed into equation (equation 11) with:
  • Adl (pw) is a first average deflection of the at least one first actuator electrode 24a from its initial position at the external pressure p equal to the working pressure pw and Ad2 (pw) a second average deflection of the at least one second actuator electrode 24b from its initial position at the external pressure p equal to the working pressure pw.
  • Equation 12 Total capacitance change AC (nearly) linear to a pressure deviation of the external pressure p from the working pressure pw. Equation (equation 8) then simplifies to equation (equation 12) with: (equation 12) T AC (p; pw) ⁇ AC ( pw) + d & C ⁇ w) * (p - pw) + 0 + ⁇ ⁇
  • Equation 10 When satisfying the condition of Equation (Equation 10) and / or Equation (Equation 11), when measuring a pressure deviation of the external pressure p from the working pressure pw, the determined total capacity change AC (or a corresponding signal) can be converted to a linear output signal become.
  • a comparatively simple and cost-effective evaluation circuit can be used when satisfying the condition of equation (equation 10) and / or equation (equation 11) .
  • the pressure deviation of the external pressure p from the working pressure pw (or the current external pressure p) can be satisfied by satisfying the condition of the equation (equation 10) and / or the equation (equation 11) a relatively high accuracy and are measured with a relatively low error rate.
  • each micromechanical component fulfilling the condition of equation (equation 10) and / or equation (equation 11) is thus advantageously designed to measure the pressure deviation of the external pressure p from the working pressure pw (or the current external pressure p).
  • each micromechanical device satisfying the condition of Eq. (10) and / or Eq. (Eq.11) (due to the linearity between the total capacity change AC and the pressure deviation of the external pressure p from the working pressure pw) can be measured by only two be adjusted to different pressure values.
  • the workload to be performed for matching is thus comparatively small at the micromechanical component which satisfies the condition of the equation (equation 10) and / or the equation (equation 11).
  • the micromechanical component of FIGS. 1a and 1b fulfills the conditions of the equations (Eq. 10) and (Eq.
  • the first electrode area AI (first total electrode area) of the at least one first stator electrode 28a is equal to the second electrode area A2 (second total electrode area) of the at least one second stator electrode 28b.
  • the first one is
  • Sensitivity Sl of the first capacitor equal to the second sensitivity S2 of the second capacitor, which is why the first average displacement Adl (pw) (the at least one first actuator electrode 24a from its initial position at the external pressure p equal to the working pressure pw) equal to the second middle
  • the mean basic distances G1 and G2 are deliberately chosen so differently that their difference is twice the first average deflection Adl (pw) (the at least one first actuator electrode 24a from their
  • the pressure sensor device realized by means of the micromechanical component of FIGS. 1a and 1b also reacts relatively insensitive to a pressure or force exerted on the housing 10 from the outside.
  • the micromechanical component of FIGS. 1a and 1b also reacts relatively insensitive to a pressure or force exerted on the housing 10 from the outside.
  • Bent support plate 12 so the bending usually leads to a first bending-related change in distance between the at least one first
  • Actuator electrode 24a and the at least one first stator electrode 28a which is (almost) equal to a second bending-related change in distance between the at least one second actuator electrode 24b and the at least one second stator electrode 28b. Effects of bending-related
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the micromechanical component.
  • the micromechanical component of FIG. 2 also fulfills the advantages of the previously described embodiment, although the first average basic distance G1 (the at least one first stator electrode 28a to the at least one first actuator electrode 24a) equals the second average basic distance G2 (which is at least a second Stator electrode 28b to the at least one present in its initial position second actuator electrode 24b).
  • the first ones are
  • Electrode area AI first total electrode area of the at least one first stator electrode 28a and the second electrode area A2 (second
  • Total electrode area) of the at least one second stator electrode 28b are set so differently that the conditions of the equations (Eq. 10) and Eq.
  • the sensitivities S1 and S2 can also be set differently.
  • a difference between the first capacitance C1 and the second capacitance C2 can be kept low. This can be ensured by the second electrode area A2 (in relation to the first electrode area AI) having a larger second electrode area A2
  • Sensitivity S2 (compared to the first sensitivity Sl) reduced and at a (relative to the second electrode surface A2) larger first
  • Electrode area AI the first sensitivity Sl (compared to the second sensitivity S2) is reduced.
  • Stator electrode 28a has a (in relation to the second electrode surface A2) larger first electrode surface AI, but in a first average rotational axis distance tl from the axis of rotation 20 (or a projection of the
  • Rotary axis 20 on one equipped with the stator electrodes 28a and 28b Surface of the carrier plate 12 which is larger than a second average rotational axis distance t2 of the at least one second stator electrode 28b from the rotation axis 20 (or the projection of the rotation axis 20 onto the surface equipped with the stator electrodes 28a and 28b).
  • the first sensitivity Sl is thus reduced (compared to the second sensitivity S2). Because of this advantageous ratio between the sensitivities S1 and S2, a difference between the first capacitance C1 and the second capacitance C2 remains comparatively low (despite the unequal electrode areas A1 and A2) during operation of the micromechanical component of FIG. For the micromechanical component of FIG. 2, it is therefore also possible to use evaluation circuits which are designed only for relatively small differences between the first capacitance C 1 and the second capacitance C 2.
  • the micromechanical component of Fig. 2 also has (while maintaining the linearity between the total capacitance change AC and the
  • Pressure deviation of the external pressure p from the working pressure pw has a relatively low stress sensitivity.
  • a first partial capacitance change of the first capacitance C1 due to the first bend-related change in distance may occur by means of a second partial capacitance change of the second capacitor C2 due to the second bend-related change in distance (between the at least one second actuator electrode 24b and the at least one second stator electrode 28b) are compensated.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the micromechanical component.
  • Fig. 3 also satisfies the condition of equation (equation 10) and / or the equation (equation 11) and thus provides the advantages described above.
  • Electrode surfaces / total electrode areas AI and A2 as different are specified that the above conditions of the equations (equation 10) and (equation 11) are satisfied.
  • the average rotational axis spacings t1 and t2 are the same.
  • the at least one first stator electrode 28a has (at least partially) an additional insulating one in comparison with the at least one second stator electrode 28b
  • the additional insulating covering 32 is provided on the at least one surface of the at least one first stator electrode 28a aligned with the rocker structure 22. It is also possible to rewrite the additional insulating covering 32 as a dielectric present locally only on the at least one first stator electrode 28a.
  • the at least one second stator electrode 28b may have an additional insulating covering 32 corresponding to the at least one first stator electrode 28a.
  • Ad2 (pw) may additionally be Adl (pw).
  • pressure sensors that can be realized by means of the micromechanical components can be produced and interacted well as modules together with acceleration and yaw rate sensors.
  • FIG. 4 shows a flowchart for explaining an embodiment of the method for producing a micromechanical component for a
  • Micromechanical components is limited.
  • a housing is formed, which encloses an inner volume airtight.
  • the housing is arranged with at least one fixedly arranged on the housing and the at least one first actuator electrode associated with the first stator electrode and at least one fixed to the housing and the at least one second
  • Actuator electrode associated second stator formed.
  • a reference pressure present in the inner volume is delimited by means of a membrane from an external pressure present in an outer volume of the housing, and the rocker structure is connected to the membrane such that during operation of the micromechanical component with a pressure equality between the external pressure and the reference pressure, the rocker structure and their actuator electrodes are in their initial positions and at a
  • the rocker structure is rotated from its initial position about the axis of rotation.
  • the at least one first stator electrode having a first electrode area becomes larger or smaller than a second electrode area of the at least one second stator electrode, with a different first mean basic distance to the at least one first in its initial position
  • Actuator as a second average base distance of the at least one second stator electrode to the at least one present in its initial position second actuator electrode and / or formed with an additional in comparison with the at least one second stator electrode insulating cover.
  • the method described here creates the advantages already listed above.
  • Pressure deviation of the external pressure is designed by a working pressure pw by determining that the above-mentioned condition of the equations (Eq. 10) and Eq. (11) are satisfied.
  • the first electrode area may be set equal to the second electrode area and the first sensitivity equal to the second sensitivity.
  • a difference between the first average basic distance and the second average basic distance is preferably formed such that, at the working pressure, a first average distance of the at least one first stator electrode to the at least one first actuator electrode equals a second average distance of the at least one second stator electrode the at least one second actuator electrode.
  • first the single first stator electrode or at least one of the first stator electrodes and the single second stator electrode or at least one of the second stator electrodes can be formed on at least a part of the housing.
  • a first sacrificial layer is formed on all of the part of the housing
  • Stator electrodes deposited and the first sacrificial layer is either on the single first stator electrode or the at least one of the first
  • a (single) sacrificial layer can be deposited on all stator electrodes formed on the part of the housing, and the
  • the sacrificial layer may be thinned back either on the single first stator electrode or the at least one of the first stator electrodes or on the single second stator electrode or the at least one of the second stator electrodes before the at least one material of the later
  • Stator electrodes is deposited. This process is less
  • Base spacings to stator electrodes which are arranged on a side of the rocker structure remote from the membrane, can also advantageously be determined by means of the procedure described here.
  • the processes described above can also be applied multiple times to produce a step shape for at least one of the base distances. The goal is again to achieve as equal as possible average distances at the working pressure.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Drucksensorvorrichtung miteiner Membran (16), welche einen Referenzdruck (pr) von einem Außendruck (p) abgrenzt,mindestens einer ersten Statorelektrode (28a), mindestens einer zweiten Statorelektrode (28b), und einer um eine Drehachse (20) verkippbaren Wippenstruktur (22) mit mindestens einer ersten Aktorelektrode (24a) und mindestens einer zweiten Aktorelektrode (24b), wobei die Wippenstruktur (22) derart mit der Membran (16) verbunden ist, dass bei einer Druckgleichheit zwischen dem Außendruck (p) und dem Referenzdruck (pr) die Wippenstruktur (22) und ihre Aktorelektroden (24a, 24b) in ihren Ausgangsstellungen vorliegen, wobeibei einem Vorliegen der Wippenstruktur (22) und ihre Aktorelektroden (24a, 24b) in ihren Ausgangsstellungen eine erste Kapazität zwischen der mindestens einen ersten Aktorelektrode (24a) und der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) von einer zweiten Kapazität zwischen der mindestens einen zweiten Aktorelektrode (24b) und der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) abweicht.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanisches Bauteil für eine Drucksensorvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine
Drucksensorvorrichtung und eine Drucksensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für eine Drucksensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine
Verwendung eines mikromechanischen Bauteils zum Messen einer
Druckabweichung von einem Arbeitsdruck.
Stand der Technik
In der US 2014/0060169 AI ist ein Drucksensor mit einer um eine Drehachse verkippbaren Wippenstruktur beschrieben. Die Wippenstruktur weist auf einer ersten Seite der Drehachse eine erste Aktorelektrode und auf einer zweiten Seite der Drehachse eine zweite Aktorelektrode auf. Außerdem ist die Wippenstruktur in einem luftdichten Gehäuse eingeschlossen, wobei eine an dem Gehäuse angeordnete Membran einen in dem Gehäuse vorliegenden Referenzdruck von einem in einem Außenvolumen des Gehäuses vorliegenden
Außendruck/Messdruck abgrenzt. Das Gehäuse weist auch eine der ersten Aktorelektrode zugeordnete erste Statorelektrode und eine der zweiten
Aktorelektrode zugeordnete zweite Statorelektrode auf.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Drucksensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11, eine Verwendung eines mikromechanischen Bauteils zum Messen einer Druckabweichung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für eine Drucksensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft Möglichkeiten zum Ermitteln einer
Druckänderung anhand einer leicht erkennbaren
Kapazitätsänderung/Gesamtkapazitätsänderung, welche (zumindest
näherungsweise) linear zur Druckänderung verläuft. Die vorliegende Erfindung erleichtert somit das Ermitteln der Druckänderung durch Auswerten der
(zumindest näherungsweise) dazu linearen Kapazitätsänderung/
Gesamtkapazitätsänderung und ermöglicht die Verwendung einer
kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden Auswerteelektronik für diesen Prozess. Die vorliegende Erfindung trägt damit zur Reduzierung der Herstellungskosten von Drucksensorvorrichtungen und zu deren Minimierung bei.
Des Weiteren kann mittels der vorliegenden Erfindung trotz einer Verwendung einer einfachen und wenig Bauraum benötigenden Auswerteelektronik eine Druckänderung mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit und mit einer relativ geringen Fehlerrate festgestelll ermittelt werden. Zusätzlich trägt die vorliegende Erfindung zur Realisierung von Drucksensorvorrichtungen bei, welche einfach abgeglichen werden können und vergleichsweise unempfindlich auf Stress von außen reagieren.
Vorzugsweise weicht ein erster mittlerer Grundabstand der mindestens einen ersten Statorelektrode zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden ersten Aktorelektrode von einem zweiten mittleren Grundabstand der mindestens einen zweiten Statorelektrode zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten Aktorelektrode ab. Dies bewirkt die vorteilhaften unterschiedlichen Kapazitäten zwischen den Statorelektroden und den in ihren Ausgangsstellungen vorliegenden Aktorelektroden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weicht ein erster Flächeninhalt einer ersten Elektrodenfläche der mindestens einen ersten Statorelektrode von einem zweiten Flächenhalt einer zweiten Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode ab. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann auch die mindestens eine erste Statorelektrode im Vergleich mit der mindestens einen zweiten Statorelektrode eine zusätzliche isolierende Bedeckung aufweisen. Auch auf diese Weise können die vorteilhaften unterschiedlichen Kapazitäten zwischen den Statorelektroden und den in ihren Ausgangsstellungen vorliegenden
Aktorelektroden realisiert sein.
Insbesondere kann das mikromechanische Bauteil zum Messen einer
Druckabweichung des Außendrucks von einem Arbeitsdruck pw ausgelegt sein, indem gilt:
A1*S1 _ (Gl-Sl*pw)3
A2*S2 ~ (G2+S2*pw)3 wobei AI der erste Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche der mindestens einen ersten Statorelektrode, A2 der zweite Flächeninhalt der zweiten
Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode, Gl der erste mittlere Grundabstand der mindestens einen ersten Statorelektrode zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden ersten Aktorelektrode, G2 der zweite mittlere Grundabstand der mindestens einen zweiten
Statorelektrode zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten Aktorelektrode, Sl eine erste Sensitivität eines ersten Kondensators aus der mindestens einen ersten Aktorelektrode und der mindestens einen ersten Statorelektrode und S2 eine zweite Sensitivität eines zweiten Kondensators aus der mindestens einen zweiten Aktorelektrode und der mindestens einen zweiten Statorelektrode sind. Wie unter genauer ausgeführt ist, bewirkt dies die vorteilhafte Linearität der Kapazitätsänderung/Gesamtkapazitätsänderung zur Druckänderung.
Beispielsweise können der erste Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche der mindestens einen ersten Statorelektrode gleich dem zweiten Flächeninhalt der zweiten Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode, die erste Sensitivität gleich der zweiten Sensitivität, und eine Differenz zwischen dem ersten mittleren Grundabstand und dem zweiten mittleren Grundabstand so ausgebildet sein, dass bei dem Arbeitsdruck ein erster mittlerer Abstand der mindestens einen ersten Statorelektrode zu der mindestens einen ersten Aktorelektrode gleich einem zweiten mittleren Abstand der mindestens einen zweiten Statorelektrode zu der mindestens einen zweiten Aktorelektrode ist.
Ebenso können der erste mittlere Grundabstand gleich dem zweiten mittleren Grundabstand und die erste Sensitivität gleich der zweiten Sensitivität sein, und es kann gelten:
AI _ (Gl-Sl*pw)3
A2 ~ (Gl+Sl*pw)3
Alternativ können der erste mittlere Grundabstand gleich dem zweiten mittleren Grundabstand, die erste Sensitivität ungleich der zweiten Sensitivität und der erste Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche der mindestens einen ersten Statorelektrode ungleich dem zweiten Flächeninhalt der zweiten Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode sein, und es kann gelten:
A1*S1 _ (Gl-Sl*pw)3
A2*S2 ~ (Gl+S2*pw)3
Vorzugsweise weist in diesem Fall die mindestens eine erste Statorelektrode einen ersten mittleren Drehachsenabstand von der Drehachse ungleich einem zweiten mittleren Drehachsenabstand der mindestens einen zweiten
Statorelektrode von der Drehachse auf.
Außerdem können der erste mittlere Grundabstand gleich dem zweiten mittleren Grundabstand und der erste Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche der mindestens einen ersten Statorelektrode gleich dem zweiten Flächeninhalt der zweiten Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode sein, und die mindestens eine erste Statorelektrode kann die im Vergleich mit der mindestens einen zweiten Statorelektrode zusätzliche isolierende Bedeckung aufweisen.
Die oben genannten Vorteile sind auch bei einer Drucksensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet. Auch eine Verwendung eines entsprechenden mikromechanischen Bauteils zum Messen einer Druckabweichung des Außendrucks von dem Arbeitsdruck schafft die beschriebenen Vorteile.
Des Weiteren bewirkt auch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für eine
Drucksensorvorrichtung die beschriebenen Vorteile. Das Verfahren ist gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. la und lb schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
Fig. 4 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des
Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für eine Drucksensorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die im Weiteren beschriebenen mikromechanischen Bauteile sind insbesondere für eine Drucksensorvorrichtung vorteilhaft einsetzbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Nutzbarkeit der mikromechanischen Bauteile nicht auf diesen Verwendungszweck limitiert ist. Fig. la und lb zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in Fig. la und lb schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist ein Gehäuse 10 auf, von welchem jedoch der besseren Übersichtlichkeit wegen nur eine Trägerplatte/ein Substrat 12 in die Fig. la und lb eingezeichnet ist. Das Gehäuse 10 umschließt ein Innenvolumen 14 luftdicht, wobei eine Membran 16 des Gehäuses 10 einen in dem Innenvolumen 14 vorliegenden Referenzdruck pr von einem in einem Außenvolumen 18 vorliegenden Außendruck p abgrenzt. Die Membran 16 kann beispielsweise eine durch die Trägerplatte 12 strukturierte
Öffnung luftdicht verschließen. Der in dem Innenvolumen 14 vorliegende
Referenzdruck pr ist vorzugsweise (nahezu) gleich Null. Insbesondere kann ein Vakuum in dem Innenvolumen 14 vorliegen.
Das mikromechanische Bauteil umfasst auch eine um eine Drehachse 20 verkippbare/drehbare Wippenstruktur 22, welche vorzugsweise in dem
Innenvolumen 14 angeordnet ist. Die Wippenstruktur 22 ist mit mindestens einer auf einer ersten Seite der Drehachse 20 liegenden ersten Aktorelektrode 24a und mit mindestens einer auf einer zweiten Seite der Drehachse 20 liegenden zweiten Aktorelektrode 24b ausgebildet. Außerdem ist die Wippenstruktur 22 derart mit der Membran 16 verbunden, dass bei einer Druckgleichheit zwischen dem Außendruck p und dem Referenzdruck pr die Wippenstruktur 22 und ihre Aktorelektroden 24a und 24b in ihren Ausgangsstellungen vorliegen.
Fig. la zeigt die Wippenstruktur 22 bei einem Außendruck p (ungefähr) gleich dem Referenzdruck pr. Demgegenüber gibt die Fig. lb eine Situation wieder, in welcher der in dem Außenvolumen 18 vorliegende Außendruck p gleich einem (von dem Referenzdruck pr abweichenden) Arbeitsdruck pw ist. Erkennbar ist, dass diese Druckungleichheit zwischen dem Außendruck p und dem
Referenzdruck pr in einer Druckkraft 26 resultiert, welche die Membran 16 aus- oder einwölbt und dazu führt, dass in Fig. lb die Wippenstruktur 22 aus der (in Fig. la dargestellten) Ausgangsstellung um die Drehachse 20 gedreht vorliegt.
Unter dem Arbeitsdruck pw kann ein Außendruck p verstanden werden, welcher in einem Einsatzgebiet des mikromechanischen Bauteils in der Regel vorliegt. Das mikromechanische Bauteil der Fig. la und lb ist insbesondere für den Arbeitsdruck pw„ausgelegt", d.h. das mikromechanische Bauteil ist dazu ausgebildet, eine Abweichung des Außendrucks p von dem Arbeitsdruck pw, bzw. eine Differenz zwischen dem Außendruck p und dem Arbeitsdruck pw, zu messen.
Das mikromechanische Bauteil hat auch mindestens eine an dem Gehäuse 10 fest angeordnete und der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a zugeordnete erste Statorelektrode 28a. Entsprechend ist auch mindestens eine der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b zugeordnete zweite
Statorelektrode 28b fest an dem Gehäuse 10 angeordnet. Unter einer festen Anordnung der Statorelektroden 28a und 28b an dem Gehäuse 10 wird verstanden, dass eine Lage/Stellung der Statorelektroden 28a und 28b (im Gegensatz zu einer Lage/Stellung der Aktorelektroden 24a und 24b) durch eine Kippbewegung der Wippenstruktur 22 um die Drehachse 20 nicht beeinträchtigt wird. In dem Beispiel der Fig. la und lb sind die Statorelektroden 28a und 28b auf einer das Innenvolumen 14 begrenzenden Oberfläche der Trägerplatte 12 befestigt, wobei die Statorelektroden 28a und 28b optionaler Weise mittels mindestens einer Isolierschicht 30 von der Trägerplatte 12 isoliert sind. Als Alternative oder als Ergänzung dazu können (weitere) Statorelektroden jedoch auch an einer von der Trägerplatte 12 und/oder der Membran 16 weg gerichteten Seite der Wippenstruktur 22 an dem Gehäuse 10 befestigt sein.
Eine mit der Wippenstruktur 22 ausgestattete Drucksensorvorrichtung wird häufig auch als ein differentiell arbeitender Drucksensor bezeichnet, welcher einen Außendruck p mittels der Verwölbung der Membran 16 und der daraus resultierenden Verkippung/Drehung der Wippenstruktur 22 um die Drehachse 20 misst, indem eine Gesamtkapazitätsänderung AC einer Summe aus einer ersten Kapazität Cl eines ersten Kondensators aus der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a und der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a und einer zweiten Kapazität C2 eines zweiten Kondensators aus der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b und der mindestens einen zweiten
Statorelektrode 28b gemessen wird. Die erste Kapazität Cl ist definiert nach Gleichung (Gl. 1) mit: AI
(Gl. 1) Cl
dl(p)
, wobei AI eine erste Elektrodenfläche (erste Gesamtelektrodenfläche) der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a und dl(p) ein (von dem
Außendruck p abhängiger) erster mittlerer Abstand der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a zu der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a sind. (Die erste Elektrodenfläche/Gesamtelektrodenfläche AI ist ein
Flächeninha /Gesamtflächeninhalt mindestens einer zu der Wippenstruktur 22 ausgerichteten Fläche der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a.)
Entsprechend ist die zweite Kapazität C2 nach Gleichung (Gl.2) definiert mit:
A2
(Gl. 2) C2
d2 (p) , wobei A2 eine zweite Elektrodenfläche (zweite Gesamtelektrodenfläche) der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b und d2(p) ein (von dem
Außendruck p abhängiger) zweiter mittlerer Abstand der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b zu der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b sind. (Die zweite Elektrodenfläche/Gesamtelektrodenfläche A2 gibt einen Flächeninha /Gesamtflächeninhalt mindestens einer zu der Wippenstruktur 22 ausgerichteten Fläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b an.)
Bei Druckgleichheit zwischen dem Außendruck p und dem Referenzdruck pr liegen die Aktorelektroden 24a und 24b in ihren Ausgangsstellungen vor, wobei Fig. la einen ersten mittleren Grundabstand Gl (=dl(p=pr)) der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a zu der mindestens einen in ihrer
Ausgangsstellung vorliegenden ersten Aktorelektrode 24a und einen zweiten mittleren Grundabstand G2 (=d2(p=pr)) der mindestens einen zweiten
Statorelektrode 28b zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten Aktorelektrode 24b anzeigt. Bei Druckungleichheit zwischen dem Außendruck p und dem Referenzdruck pr weisen die mindestens eine erste Aktorelektrode 24a eine erste mittlere Auslenkung Adl(p) aus ihrer Ausgangsstellung und die mindestens eine zweite Aktorelektrode 24b eine zweite mittlere Auslenkung Ad2(p) aus ihrer Ausgangsstellung auf. Der erste mittlere Abstand dl(p) und der zweite mittlere Abstand d2(p) lassen sich somit gemäß der Gleichungen (Gl. 3) und (Gl. 4) schreiben:
(Gl. 3) dl(p) = Gl - Adl(p)
(Gl. 4) d2(p) = G2 + Ad2(p)
Für den ersten Kondensator (aus der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a und der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a) ist eine erste
Sensitivität Sl gemäß Gleichung (Gl. 5) definiert mit:
(Gi. 5) S1 = **
Entsprechend gilt für eine zweite Sensitivität S2 des zweiten Kondensators (aus der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b und der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b) Gleichung (Gl. 6) mit:
Ad2(p)
(Gl. 6) S2 =
Die Gesamtkapazitätsänderung AC ist damit gemäß Gleichung (Gl. 7) gegeben mit:
(Gl. 7) AC = Cl + C2 —
Gl-Sl*p G2+S2*p
Eine Taylor- Entwicklung für die Gesamtkapazitätsänderung AC bei dem
Arbeitsdruck pw ergibt sich nach Gleichung (Gl. 8) mit:
(Gl. 8) TAC (p; pw)~ AC(pw) + * (p - pw) + * ^g^ (p - pw)2 + · ·
Der erste eine Nicht-Linearität verursachende Term in der Taylor-Entwicklung ist proportional zu 9 Ac(pw). Dieser Term 9 Ac(pw) jst in Gleichung (Gl. 9) angegeben:
dp dp lr^ \ \ d2AC(pw) 2*S1*A1 2*S2*A2
dp2 (Gl-Sl*pw)3 (G2+S2*pw)3 d2&C(pw)
ist gleich Null wenn dieBedingung der Gleichung (Gl. 10) erfüllt ist mit: dp2 CGI 10) A 1*S1 — (G 1 ~S1*PW)3
A2*S2 ~ (G2+S2*pw)3
Gleichung (Gl. 10) kann auch zu Gleichung (Gl. 11) umgeformt werden mit:
A1*S1 (Gl-Adl(pw))3
(Gl. 11)
A2*S2 (G2+Ad2 (pw))3 wobei Adl(pw) eine erste mittlere Auslenkung der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a aus ihrer Ausgangsstellung bei dem Außendruck p gleich dem Arbeitsdruck pw und Ad2(pw) eine zweite mittlere Auslenkung der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b aus ihrer Ausgangsstellung bei dem Außendruck p gleich dem Arbeitsdruck pw sind.
Sofern die Bedingung der Gleichung (Gl. 10) und/oder der Gleichung (Gl. 11) gilt, reagiert (wie anhand der Taylor- Entwicklung erkennbar ist) die
Gesamtkapazitätsänderung AC (nahezu) linear auf eine Druckabweichung des Außendrucks p von dem Arbeitsdruck pw. Gleichung (Gl. 8) vereinfacht sich dann zu Gleichung (Gl. 12) mit: (Gl. 12) TAC (p; pw)~ AC(pw) + d&C^w) * (p - pw) + 0 + ·· ·
Bei Erfüllung der Bedingung der Gleichung (Gl. 10) und/oder der Gleichung (Gl. 11) kann beim Messen einer Druckabweichung des Außendrucks p von dem Arbeitsdruck pw die ermittelte Gesamtkapazitätsänderung AC (bzw. ein entsprechendes Signal) in ein dazu lineares Ausgabesignal umgewandelt werden. Zum Messen der Druckabweichung des Außendrucks p von dem Arbeitsdruck pw (bzw. des aktuellen Außendrucks p) kann deshalb bei Erfüllung der Bedingung der Gleichung (Gl. 10) und/oder der Gleichung (Gl. 11) eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Auswerteschaltung verwendet werden. Außerdem kann trotz der Verwendung der vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Auswerteschaltung die Druckabweichung des Außendrucks p von dem Arbeitsdruck pw (bzw. der aktuelle Außendruck p) bei Erfüllung der Bedingung der Gleichung (Gl. 10) und/oder der Gleichung (Gl. 11) mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit und mit einer relativ geringen Fehlerrate gemessen werden. Jedes die Bedingung der Gleichung (Gl. 10) und/oder der Gleichung (Gl. 11) erfüllende mikromechanische Bauteil ist damit vorteilhaft zum Messen der Druckabweichung des Außendrucks p von dem Arbeitsdruck pw (bzw. des aktuellen Außendrucks p) ausgelegt. Außerdem kann jedes die Bedingung der Gleichung (Gl. 10) und/oder der Gleichung (Gl. 11) erfüllende mikromechanische Bauteil (aufgrund der Linearität zwischen der Gesamtkapazitätsänderung AC und der Druckabweichung des Außendrucks p von dem Arbeitsdruck pw) allein mittels einer Messung von zwei verschiedenen Druckwerten abgeglichen werden. Der zum Abgleichen auszuführende Arbeitsaufwand ist somit bei dem die Bedingung der Gleichung (Gl. 10) und/oder der Gleichung (Gl. 11) erfüllenden mikromechanischen Bauteil vergleichsweise gering.
Das mikromechanische Bauteil der Fig. la und lb erfüllt die Bedingungen der Gleichungen (Gl. 10) und (Gl. 11). Beispielhaft ist die erste Elektrodenfläche AI (erste Gesamtelektrodenfläche) der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a gleich der zweiten Elektrodenfläche A2 (zweiten Gesamtelektrodenfläche) der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b. Außerdem ist die erste
Sensitivität Sl des ersten Kondensators gleich der zweiten Sensitivität S2 des zweiten Kondensators, weshalb die erste mittlere Auslenkung Adl(pw) (der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a aus ihrer Ausgangsstellung bei dem Außendruck p gleich dem Arbeitsdruck pw) gleich der zweiten mittleren
Auslenkung Ad2(pw) (der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b aus ihrer Ausgangsstellung bei dem Außendruck p gleich dem Arbeitsdruck pw) ist.
Gleichung (Gl. 10) bzw. Gleichung (Gl. 11) vereinfachen sich (bei AI = A2 und Sl = S2) zu Gleichung (Gl. 13) bzw. Gleichung (Gl. 14) mit:
(Gl. 13) Gl - Gl = 2 * Sl * pw
(Gl. 14) Gl - Gl = 2 * Adl(pw)
Die mittleren Grundabstände Gl und G2 sind bewusst so unterschiedlich gewählt, dass ihre Differenz einem doppelten der erste mittlere Auslenkung Adl(pw) (der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a aus ihrer
Ausgangsstellung bei dem Außendruck p gleich dem Arbeitsdruck pw) entspricht.
Aus den Gleichungen (Gl. 3) und (Gl. 4) lassen sich somit (bei AI = A2 und Sl = S2) die Gleichungen (Gl. 15) und (Gl. 16) herleiten mit:
(Gl. 15) dl(pw) = G2 + 2 * Adl(pw) - Adl(pw) = G2 + Adl(pw)
(Gl. 16) d2(pw) = G2 + Ad2(p) = G2 + Adl(p) Die mittleren Grundabstände Gl und G2 sind damit derart ungleich festgelegt, dass beim Arbeitsdruck pw der erste mittlere Abstand dl(pw) (der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a zu der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a) gleich dem zweiten mittleren Abstand d2(pw) (der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b zu der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b) ist.
Die mittels des mikromechanischen Bauteils der Fig. la und lb realisierte Drucksensorvorrichtung reagiert auch relativ unempfindlich auf eine Druck- oder Kraftausübung auf das Gehäuse 10 von außen. Wird beispielsweise die
Trägerplatte 12 verbogen, so führt die Verbiegung in der Regel zu einer ersten verbiegungsbedingten Abstandsänderung zwischen der mindestens einen ersten
Aktorelektrode 24a und der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a, welche (nahezu) gleich einer zweiten verbiegungsbedingten Abstandsänderung zwischen der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b und der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b ist. Effekte der verbiegungsbedingten
Abstandsänderungen kompensieren sich somit gegenseitig und führen deshalb in der Regel kaum zu einem Fehlersignal.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Auch das mikromechanische Bauteil der Fig. 2 erfüllt die Vorteile der zuvor beschriebenen Ausführungsform, obwohl der erste mittlere Grundabstand Gl (der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden ersten Aktorelektrode 24a) gleich dem zweiten mittleren Grundabstand G2 (der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten Aktorelektrode 24b) ist. Allerdings sind die erste
Elektrodenfläche AI (erste Gesamtelektrodenfläche) der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a und die zweite Elektrodenfläche A2 (zweite
Gesamtelektrodenfläche) der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b so unterschiedlich festgelegt, dass die Bedingungen der Gleichungen (Gl. 10) und (Gl. 11) erfüllt sind.
Die erste Sensitivität Sl(des ersten Kondensators aus der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a und der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a) kann gleich der zweiten Sensitivität S2 (des zweiten Kondensators aus der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b und der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b) sein. Gleichungen (Gl. 10) und (Gl.11) vereinfachen sich (bei Gl = G2 und Sl = S2) zu Gleichungen (Gl. 17) und (Gl. 18) mit:
AI _ (Gl-Sl*pw)3
A2 ~ (Gl+Sl*pw)3
AI _ (Gl-Adl(pw))3
A2 ~ (Gl+Adl(pw))3
Alternativ können zusätzlich zu den Elektrodenflächen AI und A2 auch die Sensitivitäten Sl und S2 unterschiedlich festgelegt werden. Insbesondere kann mittels einer ungleichen Festlegung der Sensitivitäten Sl und S2 ein Unterschied zwischen der ersten Kapazität Cl und der zweiten Kapazität C2 niedrig gehalten werden. Dies ist gewährleistbar, indem bei einer (im Verhältnis zu der ersten Elektrodenfläche AI) größeren zweiten Elektrodenfläche A2 die zweite
Sensitivität S2 (im Vergleich zu der ersten Sensitivität Sl) reduziert und bei einer (im Verhältnis zu der zweiten Elektrodenfläche A2) größeren ersten
Elektrodenfläche AI die erste Sensitivität Sl (im Vergleich zu der zweiten Sensitivität S2) reduziert wird.
In der Ausführungsform der Fig. 2 weist die mindestens eine erste
Statorelektrode 28a eine (im Verhältnis zu der zweiten Elektrodenfläche A2) größere erste Elektrodenfläche AI auf, ist jedoch in einem ersten mittleren Drehachsenabstand tl von der Drehachse 20 (bzw. einer Projektion der
Drehachse 20 auf eine mit den Statorelektroden 28a und 28b bestückte Oberfläche der Trägerplatte 12) angeordnet, welcher größer als ein zweiter mittlerer Drehachsenabstand t2 der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b von der Drehachse 20 (bzw. der Projektion der Drehachse 20 auf die mit den Statorelektroden 28a und 28b bestückte Oberfläche) ist. Die erste Sensitivität Sl ist damit (im Vergleich zu der zweiten Sensitivität S2) reduziert. Aufgrund dieses vorteilhaften Verhältnisses zwischen den Sensitivitäten Sl und S2 bleibt (trotz der ungleichen Elektrodenflächen AI und A2) ein Unterschied zwischen der ersten Kapazität Cl und der zweiten Kapazität C2 während eines Betriebs des mikromechanischen Bauteils der Fig. 2 vergleichsweise niedrig. Für das mikromechanische Bauteil der Fig. 2 können deshalb auch Auswerteschaltungen eingesetzt werden, welche nur für relativ geringe Unterschiede zwischen der ersten Kapazität Cl und der zweiten Kapazität C2 ausgelegt sind.
Das mikromechanische Bauteil der Fig. 2 weist auch (bei Beibehaltung der Linearität zwischen der Gesamtkapazitätsänderung AC und der
Druckabweichung des Außendrucks p von dem Arbeitsdruck pw) eine relativ geringe Stressempfindlichkeit auf. Wird die Trägerfläche 12 beispielsweise verbogen, so kann eine erste Teilkapazitätsänderung der ersten Kapazität Cl aufgrund der ersten verbiegungsbedingten Abstandsänderung (zwischen der mindestens einen ersten Aktorelektrode 24a und der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a) mittels einer zweiten Teilkapazitätsänderung der zweiten Kapazität C2 aufgrund der zweiten verbiegungsbedingten Abstandsänderung (zwischen der mindestens einen zweiten Aktorelektrode 24b und der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b) kompensiert werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Auch die Ausführungsform der Fig. 3 erfüllt die Bedingung der Gleichung (Gl. 10) und/oder der Gleichung (Gl. 11) und schafft damit die zuvor beschriebenen Vorteile.
Dies ist gewährleistet, indem die Sensitivitäten Sl und S2 bei gleichen
Grundabständen Gl und G2 und gleichen
Elektrodenflächen/Gesamtelektrodenflächen AI und A2 so unterschiedlich festgelegt sind, dass die oben angegebenen Bedingungen der Gleichungen (Gl. 10) und (Gl. 11) erfüllt sind. In der Ausführungsform der Fig. 3 sind auch die mittleren Drehachsenabstände tl und t2 gleich. Allerdings weist die mindestens eine erste Statorelektrode 28a im Vergleich mit der mindestens einen zweiten Statorelektrode 28b (zumindest teilweise) in eine zusätzliche isolierende
Bedeckung 32 auf. Vorzugsweise liegt die zusätzliche isolierende Bedeckung 32 auf der mindestens einen zu der Wippenstruktur 22 ausgerichteten Fläche der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a vor. Man kann die zusätzliche isolierende Bedeckung 32 auch als ein nur auf der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a lokal vorhandenes Dielektrikum umschreiben. (In einer alternativen Ausführungsform kann die mindestens eine zweite Statorelektrode 28b im Vergleich mit der mindestens einen ersten Statorelektrode 28a eine zusätzliche isolierende Bedeckung 32 entsprechend aufweisen.) Gleichungen (Gl. 10) und (Gl.11) vereinfachen sich (bei Gl = G2 und AI = A2) zu Gleichungen (Gl. 19) und (Gl. 20) mit:
Figure imgf000017_0001
(Gl. 20) * =
S2 (Gl+Ad2(pw))3
(Ad2(pw) kann zusätzlich gleich Adl(pw) sein.)
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen sind auch Kombinationen von deren Merkmalen möglich. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die mittels der mikromechanischen Bauteile realisierbaren Drucksensoren als Module gut zusammen mit Beschleunigungs- und Drehratensensoren hergestellt und zusammenwirken können.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für eine
Drucksensorvorrichtung.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann beispielsweise zum Herstellen eines der zuvor erläuterten mikromechanischen Bauteile ausgeführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des im Weiteren beschriebenen Verfahrens nicht auf ein Herstellen eines dieser
mikromechanischen Bauteile limitiert ist.
In einem Verfahrensschritt Stl wird eine bei einem Betrieb des
mikromechanischen Bauteils um eine spätere Drehachse verkippbare
Wippenstruktur gebildet, wobei auf einer ersten Seite der späteren Drehachse mindestens eine erste Aktorelektrode und auf einer zweiten Seite der späteren Drehachse mindestens eine zweite Aktorelektrode an der Wippenstruktur ausgebildet werden. In einem Verfahrensschritt St2 wird ein Gehäuse gebildet, welches ein Innenvolumen luftdicht umschließt. Das Gehäuse wird mit mindestens einer an dem Gehäuse fest angeordneten und der mindestens einen ersten Aktorelektrode zugeordneten ersten Statorelektrode und mindestens einer an dem Gehäuse fest angeordneten und der mindestens einen zweiten
Aktorelektrode zugeordneten zweiten Statorelektrode ausgebildet. Außerdem wird ein in dem Innenvolumen vorliegender Referenzdruck mittels einer Membran von einem in einem Außenvolumen des Gehäuses vorliegenden Außendruck abgegrenzt, und die Wippenstruktur wird derart mit der Membran verbunden, dass bei dem Betrieb des mikromechanischen Bauteils bei einer Druckgleichheit zwischen dem Außendruck und dem Referenzdruck die Wippenstruktur und ihre Aktorelektroden in ihren Ausgangsstellungen vorliegen und bei einer
Druckungleichheit zwischen dem Außendruck und dem Referenzdruck die Wippenstruktur aus ihrer Ausgangsstellung um die Drehachse gedreht wird.
Die mindestens eine erste Statorelektrode wird mit einer ersten Elektrodenfläche größer oder kleiner als eine zweite Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode, mit einem anderen ersten mittleren Grundabstand zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden ersten
Aktorelektrode als ein zweiter mittlerer Grundabstand der mindestens einen zweiten Statorelektrode zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten Aktorelektrode und/oder mit einer im Vergleich mit der mindestens einen zweiten Statorelektrode zusätzlichen isolierenden Bedeckung ausgebildet. Damit schafft auch das hier beschriebene Verfahren die oben schon aufgezählten Vorteile. Beispielsweise wird das mikromechanische Bauteil zum Messen einer
Druckabweichung des Außendrucks von einem Arbeitsdruck pw ausgelegt, indem festgelegt wird, dass die oben genannte Bedingung der Gleichungen (Gl. 10) und (Gl. 11) erfüllt werden. Insbesondere können die erste Elektrodenfläche gleich der zweiten Elektrodenfläche und die erste Sensitivität gleich der zweiten Sensitivität festgelegt werden. Bevorzugt wird in diesem Fall eine Differenz zwischen dem ersten mittleren Grundabstand und dem zweiten mittleren Grundabstand so ausgebildet, dass bei dem Arbeitsdruck ein erster mittlerer Abstand der mindestens einen ersten Statorelektrode zu der mindestens einen ersten Aktorelektrode gleich einem zweiten mittleren Abstand der mindestens einen zweiten Statorelektrode zu der mindestens einen zweiten Aktorelektrode ist.
Zum Bewirken der vorteilhaften Differenz zwischen dem ersten mittleren
Grundabstand und dem zweiten mittleren Grundabstand können zuerst die einzige erste Statorelektrode oder mindestens eine der ersten Statorelektroden und die einzige zweite Statorelektrode oder mindestens eine der zweiten Statorelektroden auf zumindest einem Teil des Gehäuses gebildet werden. Vorzugsweise wird anschließend (vor der eigentlichen Opferschichtabscheidung) eine erste Opferschicht auf allen auf dem Teil des Gehäuses gebildeten
Statorelektroden abgeschieden und die erste Opferschicht wird entweder auf der einzigen ersten Statorelektrode oder der mindestens einen der ersten
Statorelektroden oder auf der einzigen zweiten Statorelektrode oder der mindestens einen der zweiten Statorelektroden entfernt. Erst dann werden (als die eigentliche Opferschichtabscheidung) eine zweite Opferschicht und mindestens ein Material der späteren Aktorelektroden auf allen auf dem Teil des Gehäuses gebildeten Statorelektroden abgeschieden. Selbst ein einfaches Abscheideverfahren zum Bilden der ersten Opferschicht erlaubt eine sehr genaue Festlegung einer Schichtdicke der ersten Opferschicht und damit der Differenz zwischen dem ersten mittleren Grundabstand und dem zweiten mittleren Grundabstand. Mittels des hier beschriebenen Prozesses ist man somit in der Lage, einen sehr genau definierten und gut wiederholbaren
Abstandsunterschied zwischen den beiden Grundabständen einzustellen. Alternativ kann auch eine (einzige) Opferschicht auf allen auf dem Teil des Gehäuses gebildeten Statorelektroden abgeschieden werden und die
Opferschicht kann entweder auf der einzigen ersten Statorelektrode oder der mindestens einen der ersten Statorelektroden oder auf der einzigen zweiten Statorelektrode oder der mindestens einen der zweiten Statorelektroden zurück gedünnt werden, bevor das mindestens eine Material der späteren
Aktorelektroden auf allen auf dem Teil des Gehäuses gebildeten
Statorelektroden abgeschieden wird. Dieser Prozess ist weniger
arbeitsaufwändig.
Die hier beschriebenen Prozesse können auch miteinander kombiniert werden. Auch Grundabstände zu Statorelektroden, welche auf einer von der Membran entfernten Seite der Wippenstruktur angeordnet sind, können mittels der hier beschriebenen Vorgehensweise vorteilhaft festgelegt werden. Die zuvor beschriebenen Prozesse können auch mehrfach angewendet werden, um eine Stufenform für mindestens einen der Grundabstände zu erzeugen. Das Ziel dabei ist wiederum, möglichst gleiche mittlere Abstände bei dem Arbeitsdruck zu erreichen.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauteil für eine Drucksensorvorrichtung mit: einem ein Innenvolumen (14) luftdicht umschließendes Gehäuse (10) mit einer Membran (16), welche einen in dem Innenvolumen (14) vorliegenden
Referenzdruck (pr) von einem in einem Außenvolumen (18) des Gehäuses (10) vorliegenden Außendruck (p) abgrenzt; einer um eine Drehachse (20) verkippbaren Wippenstruktur (22) mit mindestens einer auf einer ersten Seite der Drehachse (20) an der Wippenstruktur (22) ausgebildeten ersten Aktorelektrode (24a) und mindestens einer auf einer zweiten Seite der Drehachse (20) an der Wippenstruktur (22) ausgebildeten zweiten Aktorelektrode (24b), wobei die Wippenstruktur (22) derart mit der
Membran (16) verbunden ist, dass bei einer Druckgleichheit zwischen dem Außendruck (p) und dem Referenzdruck (pr) die Wippenstruktur (22) und ihre Aktorelektroden (24a, 24b) in ihren Ausgangsstellungen vorliegen und bei einer Druckungleichheit zwischen dem Außendruck (p) und dem Referenzdruck (pr) die Wippenstruktur (22) aus ihrer Ausgangsstellung um die Drehachse (20) gedreht vorliegt; und mindestens einer an dem Gehäuse (10) fest angeordneten und der mindestens einen ersten Aktorelektrode (24a) zugeordneten ersten Statorelektrode (28a) und mindestens einer an dem Gehäuse (10) fest angeordneten und der mindestens einen zweiten Aktorelektrode (24b) zugeordneten zweiten Statorelektrode (28b); dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Vorliegen der Wippenstruktur (22) und ihre Aktorelektroden (24a, 24b) in ihren Ausgangsstellungen eine erste Kapazität zwischen der mindestens einen ersten Aktorelektrode (24a) und der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) von einer zweiten Kapazität zwischen der mindestens einen zweiten Aktorelektrode (24b) und der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) abweicht.
2. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei ein erster mittlerer Grundabstand (Gl) der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden ersten Aktorelektrode (24a) von einem zweiten mittleren Grundabstand (G2) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten Aktorelektrode (24b) abweicht.
3. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erster Flächeninhalt einer ersten Elektrodenfläche (AI) der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) von einem zweiten Flächenhalt einer zweiten
Elektrodenfläche (A2) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) abweicht.
4. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Statorelektrode (28a) im Vergleich mit der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) eine zusätzliche isolierende Bedeckung (32) aufweist.
5. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil zum Messen einer
Druckabweichung des Außendrucks (p) von einem Arbeitsdruck pw ausgelegt ist, indem gilt:
A1*S1 _ (Gl-Sl*pw)3
A2*S2 ~ (G2+S2*pw)3 wobei AI der erste Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a), A2 der zweite Flächeninhalt der zweiten Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b), Gl der erste mittlere Grundabstand der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden ersten
Aktorelektrode (24a), G2 der zweite mittlere Grundabstand der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten Aktorelektrode (24b), Sl eine erste Sensitivität eines ersten Kondensators aus der mindestens einen ersten Aktorelektrode (24a) und der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) und S2 eine zweite Sensitivität eines zweiten Kondensators aus der mindestens einen zweiten Aktorelektrode (24b) und der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) sind.
6. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei der erste
Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche (AI) der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) gleich dem zweiten Flächeninhalt der zweiten
Elektrodenfläche (A2) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) ist, die erste Sensitivität (Sl) gleich der zweiten Sensitivität (S2) ist, und eine Differenz zwischen dem ersten mittleren Grundabstand (Gl) und dem zweiten mittleren Grundabstand (G2) so ausgebildet ist, dass bei dem Arbeitsdruck (pw) ein erster mittlerer Abstand (dl(pw)) der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) zu der mindestens einen ersten Aktorelektrode (24a) gleich einem zweiten mittleren Abstand (d2(pw)) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) zu der mindestens einen zweiten Aktorelektrode (24b) ist.
7. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei der erste mittlere Grundabstand (Gl) gleich dem zweiten mittleren Grundabstand (G2) ist und die erste Sensitivität (Sl) gleich der zweiten Sensitivität (S2) ist, und gilt:
AI _ (Gl-Sl*pw)3
A2 ~ (Gl+Sl*pw)3
8. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei der erste mittlere Grundabstand (Gl) gleich dem zweiten mittleren Grundabstand (G2) ist, die erste Sensitivität (Sl) ungleich der zweiten Sensitivität (S2) ist, der erste
Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche (AI) der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) ungleich dem zweiten Flächeninhalt der zweiten
Elektrodenfläche (A2) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) ist, und gilt:
A1*S1 _ (Gl-Sl*pw)3
A2*S2 ~ (Gl+S2*pw)3
9. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine erste Statorelektrode (28a) einen ersten mittleren Drehachsenabstand (tl) von der Drehachse (20) ungleich einem zweiten mittleren Drehachsenabstand (t2) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) von der Drehachse (20) aufweist.
10. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei der erste mittlere Grundabstand (Gl) gleich dem zweiten mittleren Grundabstand (G2) ist, der erste Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche (AI) der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) gleich dem zweiten Flächeninhalt der zweiten
Elektrodenfläche (A2) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) ist, und die mindestens eine erste Statorelektrode (28a) die im Vergleich mit der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) zusätzliche isolierende
Bedeckung (32) aufweist.
11. Drucksensorvorrichtung mit einem mikromechanischen Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verwendung eines mikromechanischen Bauteils nach einem der Ansprüche 5 bis 10 zum Messen einer Druckabweichung des Außendrucks (p) von dem Arbeitsdruck (pw).
13. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauteils für eine
Drucksensorvorrichtung mit den Schritten:
Bilden einer bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils um eine spätere Drehachse (20) verkippbaren Wippenstruktur (22), wobei auf einer ersten Seite der späteren Drehachse (20) mindestens eine erste Aktorelektrode (24a) und auf einer zweiten Seite der späteren Drehachse (20) mindestens eine zweite Aktorelektrode (24b) an der Wippenstruktur (22) ausgebildet werden (Stl); und
Bilden eines ein Innenvolumen (14) luftdicht umschließenden Gehäuses (10) mit mindestens einer an dem Gehäuse (10) fest angeordneten und der mindestens einen ersten Aktorelektrode (24a) zugeordneten ersten Statorelektrode (28a) und mindestens einer an dem Gehäuse (10) fest angeordneten und der mindestens einen zweiten Aktorelektrode (24b) zugeordneten zweiten Statorelektrode (28b), wobei ein in dem Innenvolumen (14) vorliegender Referenzdruck (pr) mittels einer Membran (16) von einem in einem Außenvolumen (18) des Gehäuses (10) vorliegenden Außendruck (p) abgegrenzt wird, und die Wippenstruktur (22) derart mit der Membran (16) verbunden wird, dass bei dem Betrieb des mikromechanischen Bauteils bei einer Druckgleichheit zwischen dem
Außendruck (p) und dem Referenzdruck (pr) die Wippenstruktur (22) und ihre Aktorelektroden (24a, 24b) in ihren Ausgangsstellungen vorliegen und bei einer Druckungleichheit zwischen dem Außendruck (p) und dem Referenzdruck (pr) die Wippenstruktur (22) aus ihrer Ausgangsstellung um die Drehachse (20) gedreht wird (St2); dadurch gekennzeichnet, dass festgelegt wird, dass bei einem Vorliegen der Wippenstruktur (22) und ihre Aktorelektroden (24a, 24b) in ihren Ausgangsstellungen eine erste Kapazität zwischen der mindestens einen ersten Aktorelektrode (24a) und der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) von einer zweiten Kapazität zwischen der mindestens einen zweiten Aktorelektrode (24b) und der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) abweicht.
14. Verfahren nach Anspruch 13, mit mindestens einem der folgenden Schritte:
Ausbilden eines ersten mittleren Grundabstands (Gl) der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden ersten Aktorelektrode (24a) abweichend von einem zweiten mittleren Grundabstand (G2) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten
Aktorelektrode (24b);
Ausbilden der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) mit einem ersten Flächeninhalt ihrer ersten Elektrodenfläche (AI) abweichend von einem zweiten Flächenhalt einer zweiten Elektrodenfläche (A2) der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b); und/oder
Ausbilden der mindestens einen ersten Statorelektroden (28a) mit einer zusätzlichen isolierenden Bedeckung (32) im Vergleich mit der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b).
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das mikromechanische Bauteil zum Messen einer Druckabweichung des Außendrucks (p) von einem Arbeitsdruck pw ausgelegt wird, indem festgelegt wird:
A1*S1 _ (Gl-Sl*pw)3
A2*S2 ~ (G2+S2*pw)3 wobei AI der erste Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a), A2 der zweite Flächeninhalt der zweiten Elektrodenfläche der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b), Gl der erste mittlere Grundabstand der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden ersten
Aktorelektrode (24a), G2 der zweite mittlere Grundabstand der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) zu der mindestens einen in ihrer Ausgangsstellung vorliegenden zweiten Aktorelektrode (24b), Sl eine erste Sensitivität eines ersten Kondensators aus der mindestens einen ersten Aktorelektrode (24a) und der mindestens einen ersten Statorelektrode (28a) und S2 eine zweite Sensitivität eines zweiten Kondensators aus der mindestens einen zweiten Aktorelektrode (24b) und der mindestens einen zweiten Statorelektrode (28b) sind.
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