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Dokumentenidentifikation DE10053309B4 24.02.2005
Titel Mikromechanischer Beschleunigungssensor
Anmelder EADS Deutschland GmbH, 85521 Ottobrunn, DE
Erfinder Knittl, Peter, 93309 Kelheim, DE;
Lentner, Konrad, Dipl.-Ing., 85375 Neufahrn, DE;
Prechtel, Ulrich, 81735 München, DE;
Sassen, Stefan, 80469 München, DE
DE-Anmeldedatum 27.10.2000
DE-Aktenzeichen 10053309
Offenlegungstag 16.05.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.02.2005
IPC-Hauptklasse G01P 15/125
IPC-Nebenklasse G01P 15/02   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Mikromechanische Beschleunigungssensoren werden beispielsweise in einem Fahrzeug zur Fahrwerksregelung oder als Aufprallsensor zur Auslösung von Schutzeinrichtungen wie Airbags eingesetzt. Weiterhin werden mikromechanische Beschleunigungssensoren als Hilfsmittel zur Navigation und zur Lagebestimmung in Fahrzeugen und Flugzeugen verwendet.

In der DE 44 39 238 A1 ist ein Beschleunigungssensor beschrieben, der eine kapazitive Auslesung aufweist. Der Beschleunigungssensor hat einen planaren Aufbau aus Halbleiterkörpern, wobei mindestens einer der beiden Halbleiterkörper eine Grube aufweist, in der eine freitragende Struktur angeordnet ist. Die freitragende Struktur ist an einer Seite mit dem Halbleiterkörper verbunden und senkrecht zur Fläche der beiden Halbleiterkörper frei beweglich, so dass sie bei einer Beschleunigung in dieser Richtung aufgrund ihrer trägen Masse ausgelenkt wird. Die freitragende Struktur und der Halbleiterkörper bilden einen Plattenkondensator, dessen Kapazität durch die freitragende Struktur bei einer auftretenden Beschleunigung verändert wird.

DE 35 09 948 A1 zeigt einen planaren Trägheitssensor zur Messung von Beschleunigungen mit einem schwenkbar gelagerten Trägheitselement, auf dem eine Masse befestigt ist. Der Trägheitssensor weist ein Massenungleichgewicht auf.

Das Gebrauchsmuster DE 89 13 756 U1 beschreibt einen kapazitiven Beschleunigungswandler mit einem biegsamen Metallblatt, das an einer Stützstruktur einseitig befestigt ist. An einem Ende des Metallblattes ist ein Massestück befestigt, um bei einer Beschleunigung eine Auslenkung zu bewirken.

Die Offenlegungsschrift DE 195 41 388 A1 zeigt einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem mikromechanischen Masseteil in Form einer Wippe, die derart gelagert ist, dass sich eine asymmetrisch und außerhalb des Schwerpunkts der Wippe verlaufende Drehachse ergibt.

Schließlich offenbart DE 198 22 171 A1 einen kapazitiven Beschleunigungssensor mit einem um eine Torsionsachse drehbaren Sensorelement.

Weiterhin sind Beschleunigungssensoren bekannt, die nach dem piezoelektrischem Prinzip arbeiten, wobei bei einer auftretenden Beschleunigung ein piezoelektrisches Element verformt wird und ein Signal abgibt, das ein Maß für die auftretende Beschleunigung ist.

Die bekannten Beschleunigungssensoren haben jedoch den Nachteil einer unzureichenden Genauigkeit. Dies wird zumeist durch Offset-Werte verursacht, welche die Messergebnisse verfälschen. Weiterhin wird die Genauigkeit durch eine Off-Set-Drift eingeschränkt, die beispielsweise durch Schwankungen in der Versorgungsspannung oder auch durch Temperaturschwankungen entsteht. Weiterhin ergeben sich oftmals große Schwierigkeiten bei der genauen Reproduktion der Sensorstruktur. Hinzu kommen hohe Herstellungskosten, die durch ein komplexes Herstellungsverfahren verursacht werden, so wie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mikromechanischen Beschleunigungssensor zu schaffen, der eine verbesserte Sensorgenauigkeit, insbesondere im Hinblick auf Off-Set und Off-Set-Drift aufweist, und der darüber hinaus kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst, durch den mikromechanischen Beschleunigungssensor gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Aspekte, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Der erfindungsgemäße mikromechanische Beschleunigungssensor umfasst eine Platte, die schwenkbar um eine Drehachse befestigt ist, so dass die Platte bei einer senkrecht zur Drehachse wirkenden Beschleunigung aufgrund einer Trägheitskraft eine Auslenkung erfährt, und weiterhin eine Einrichtung zur Messung der Auslenkung, wobei in der Platte mindestens eine Vertiefung ausgestaltet ist, in der eine zusätzliche Inertialmasse befestigt ist.

Aufgrund der zusätzlichen, bevorzugt separat gefertigten Inertialmasse können starke Rückstellkräfte im Sensor verwirklicht sein, was die Off-Set Fehler und Off-Set-Drifteffekte herabsetzt und die Sensorgenauigkeit erhöht. Hinzu kommt, dass auf die Platte wirkende Kräfte, wie beispielsweise elektrostatische Kräfte bei einer kapazitiven Auslesung, kleiner im Verhältnis zur Rückstellkraft sind, weshalb Schwankungen in der Versorgungsspannung weniger Einfluss auf die Sensorempfindlichkeit haben. Ebenso werden Ungenauigkeiten aufgrund von Temperaturschwankungen bzw. Temperatur-Drifteffekte reduziert. Hinzu kommt, dass der Sensor kostengünstig herstellbar und sehr robust ist. Dennoch hat er kleine Abmessungen und eine hohe Genauigkeit.

Das Befestigen der Masse in der Vertiefung garantiert eine genaue und reproduzierbare Positionierung. Dies ist vorteilhaft für eine hohe Reproduzierbarkeit der Sensoreigenschaften bei einer Massenfertigung. Das Befestigen der Masse in der Vertiefung erhöht außerdem die Auflagefläche der Masse und führt zu einer besseren Festigkeit. Eine kugelförmige Masse bzw. Inertialmasse ist besonders leicht herzustellen und sie hat darüber hinaus sehr enge Toleranzgrenzen.

Das Anbringen der Zusatzmasse ist insbesondere auch ein sehr kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung hoher Inertialmassen. Die Inertial- bzw. Zusatzmasse erzeugt hohe mechanische Kräfte bzw. Drehmomente beim Einwirken einer Beschleunigung. Dadurch kann die gesamte Sensorstruktur entsprechend robust ausgelegt werden, wobei dennoch eine hohe Empfindlichkeit auf die Messgröße gegeben ist.

Bevorzugt ist der Sensor aus mindestens drei Ebenen bzw. Wafern aufgebaut, wobei die Platte zwischen einem Bodenteil und einem Deckelteil befestigt ist. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und es werden Kosten reduziert. Der Aufbau in drei oder mehr Ebenen trägt darüber hinaus auf Grund der Symmetrie zu einer höheren Genauigkeit bei.

Vorzugsweise ist die Platte an mindestens zwei Aufhängungen befestigt, die sich z.B. an gegenüberliegenden Kanten der Platte befinden und die Drehachse definieren, wobei sich die Drehachse durch die Platte erstreckt. Dadurch bildet die Platte eine Art Wippe, die um die Drehachse verkippt wird, sobald eine Beschleunigung auftritt. Dadurch wird eine differenzielle Auslesung möglich, die zur Erhöhung der Genauigkeit zusätzlich beiträgt.

Bevorzugt ist zur Messung der Auslenkung auf beiden Seiten der Drehachse jeweils eine Kapazität ausgebildet, wobei sich bei einem Verkippen der Platte um die Drehachse die eine Kapazität erhöht, während sich die andere Kapazität verringert. Durch diese Maßnahme kann auf besonders einfache Weise eine differenzielle Auslesung bzw. eine Auslesung von einem Differenzsignal erfolgen, so dass Drifteffekte und Sensorungenauigkeiten weitgehend eliminiert werden.

Vorteilhafterweise sind eines oder mehrere der Elemente Bodenteil, Platte und Deckelteil aus jeweils einem Wafer gebildet. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung, die mit großer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfolgen kann.

Die Platte kann z.B. asymmetrisch aufgehängt sein, so dass bei einer senkrecht zur Plattenebene auftretenden Beschleunigung ein Verkippen der Platte um die Drehachse erfolgt. Dabei ist z.B. der Schwerpunkt von Inertialmasse und Platte lateral bzw. in Plattenebene gegenüber der Drehachse versetzt.

Vorteilhafterweise ist auf der Oberseite der Platte und auf der Unterseite der Platte jeweils eine Inertialmasse angeordnet, wobei die beiden Inertialmassen z.B. symmetrisch zur Plattenebene angeordnet sind. Das Befestigen von zwei Massen führt zu einer zusätzlichen Erhöhung der mechanischen Kräfte. Durch die Symmetrie des Sensoraufbaus in Bezug auf die Platten- bzw. Mittelteilebene ergibt sich eine sehr exakte Empfindlichkeit in z-Richtung, d.h. in die senkrecht zur Plattenebene gerichtete Richtung.

Die Inertialmasse kann aber auch senkrecht zur Plattenebene versetzt angeordnet sein, so dass bei einer in Richtung der Plattenebene auftretenden Beschleunigung ein Verkippen der Platte um die Drehachse erfolgt. D.h., die Inertialmasse bzw. Masse ist in Bezug auf die Plattenebene einseitig ausgelagert, so dass durch diese Maßnahme der Beschleunigungssensor auf Beschleunigungen in Richtung der Plattenebene empfindlich ist. Dabei ist die Inertialmasse z.B. genau oberhalb der Drehachse auf der Oberseite der Platte angebracht, oder sie ist z. B. unterhalb der Drehachse an der Unterseite der Platte befestigt.

Vorteilhafterweise ist die Platte in einem Mittelteil ausgestaltet, das ein Feder-Masse-System mit einer auf die Platte in ausgelenktem Zustand wirkenden Rückstellkraft bildet. Das Mittelteil kann beispielsweise ein Wafer sein, der einen Rahmen mit einer innerhalb des Rahmens gelegenen Plattenstruktur bildet, wobei gegenüberliegende Verbindungsstege zwischen Rahmen und Platte ausgestaltet sind.

Bevorzugt ist das Bodenteil und/oder das Deckelteil aus einem isolierenden Material, insbesondere aus Glas gebildet und trägt beispielsweise eine elektrisch leitende Schicht, die eine Elektrodenfläche bildet. Durch die Verwendung von isolierendem Material, auf dem die Elektroden aufgebracht werden, reduzieren sich die Streukapazitäten und die Drift der Kapazitätswerte wird noch weiter herabgesetzt. Die elektrisch leitende Schicht kann z.B. eine Metallschicht sein. Es sind aber auch andere Materialien verwendbar, wie z.B. Polysilizium oder Silizide, die für bestimmte Anforderungen unter Umständen besser geeignet sind.

Vorteilhafterweise ist die Inertialmasse kugelförmig ausgebildet und sie kann insbesondere aus einem Material gefertigt sein, dessen Dichte frei wählbar ist. Insbesondere kann das Material der Inertialmasse eine höhere Dichte aufweisen als das Material der Platte. Es ist aber auch möglich, die gleiche Dichte oder eine geringere Dichte zu wählen.

Durch kugelförmige Massen kann ein sehr hoher Genauigkeitsgrad mit einer besonders guten Reproduzierbarkeit erreicht werden. Die Positionierung der Masse in einer radialen Vertiefung ist darüber hinaus selbstjustierend. Die Selbstjustage kann z.B. durch Verwendung von magnetischen Inertialmassen noch weiter verbessert werden. Durch Verwendung eines Materials mit relativ hoher Dichte können besonders große Inertialmassen auf kleinem Raum geschaffen werden. Beispielsweise sind Stahlkugeln eine sehr kostengünstige Möglichkeit, Inertialmassen sehr präzise anzuordnen.

Vorteilhafterweise ist auf der Oberseite des Bodenteils mindestens eine freiliegende Anschlussfläche zur Kontaktierung von Elektroden in einem Innenraum des Beschleunigungssensors angeordnet. Die Anordnung aller Anschlußpads auf dem Bodenwafer ermöglicht ein einfaches Drahtbonden der Sensoren mit der entsprechenden Auswerteelektronik. Teure und aufwendige Drahtbondverfahren sind nicht notwendig.

Bevorzugt sind die Elektroden zur kapazitiven Auslesung von geschlossenen Ringleiterbahnen umgeben. Dadurch werden elektrische Streusignale wirksam abgeschirmt, was ebenfalls zur Erhöhung der Genauigkeit der Messergebnisse des Beschleunigungssensors beiträgt.

Beispielsweise kann im Bodenteil und/oder im Mittelteil eine Vertiefung vorgesehen sein, die einen Spalt zwischen der Platte und dem Bodenteil bildet. Dadurch kann auf einfache Weise ein Abstand zwischen Bodenteil und Platte erzeugt werden, der das Verkippen der Platte bzw. die Auslenkung um die Drehachse bei einer auftretenden Beschleunigung ermöglicht.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem Bodenteil und dem Deckelteil ein hermetisch abgeschlossener Innenraum ausgebildet, indem sich die Platte befindet, wobei insbesondere Leiterbahnen, die z.B. auf dem Bodenteil angeordnet sind, nach außen führen. Durch einen abgeschlossenen Innenraum wird der Einfluss von störenden Umgebungsbedingungen weitgehend ausgeschaltet und der Sensor ist vor Alterung und Verschmutzung geschützt. Vorzugsweise sind alle elektrischen Kontaktstellen planar und liegen parallel zur Ebene des Bodenteils bzw. der Bodenteiloberfläche.

Vorteilhafterweise sind die Platte und/oder die Aufhängungen aus Silizium gefertigt, insbesondere aus einkristallinem Silizium. Die Verwendung von Silizium und insbesondere einkristallinem Silizium als Material für die Platte und/oder für die Aufhängungen bzw. Federn und zur Befestigung der Masse garantiert ein hohe mechanische Belastbarkeit. Darüber hinaus treten keine Ermüdungs- und Alterungserscheinungen auf.

Der mikromechanische Beschleunigungssensor kann beispielsweise eine erste und eine zweite Platte mit zusätzlichen Inertialmassen und jeweils einer zugehörigen Drehachse umfassen, wobei bei der ersten Platte der Massenschwerpunkt gegenüber der zugehörigen Drehachse in Richtung der Plattenebene versetzt ist, während bei der zweiten Platte der Massenschwerpunkt gegenüber der zugehörigen Drehachse senkrecht zur Plattenebene versetzt ist. Dadurch kann in einem Herstellungsverfahren ein Beschleunigungssensor geschaffen werden, der auf Beschleunigungen in zwei oder mehr senkrecht zueinander gerichteten Richtungen reagiert bzw. empfindlich ist. D.h., mit dem Sensor ist es zum Einen möglich, Beschleunigungen senkrecht zur Sensor- bzw. Plattenebene aufzunehmen, und gleichzeitig ist es zum Anderen möglich, Beschleunigungen in einer Richtung parallel zur Platten- bzw. Sensor- oder Waferebene zu erfassen.

Die Wafer bzw. Bodenteil, Mittelteil und Deckelteil werden vorteilhafterweise durch anodische Bondverfahren verbunden. Dies garantiert sehr gute Festigkeitswerte und einen definierten Abstand zwischen den Vertiefungen, die zuvor in die beiden Substrate eingebracht wurden. Damit ist die Herstellung von präzisen Kondensatoren mit einem vorherdefinierten Spalt oder Luftspalt möglich.

Die mechanische Struktur wird vorteilhafterweise in einem Prozessschritt hergestellt. Daraus ergibt sich eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Struktur.

Im Bodenteil und/oder im Mittelteil befinden sich bevorzugt Strukturen, die geeignet sind, das Dämpfungsverhalten der mechanischen Auslenkung der Platte zu beeinflussen. Die Strukturen bestehen beispielsweise aus Vertiefungen, Löchern oder Schlitzen, die beispielsweise im Mittelteil angeordnet sind und das gesamte Mittelteil durchdringen können. Damit ist es möglich, das Resonanzverhalten der Plattenauslenkung überkritisch zu dämpfen und gleichzeitig eine ausreichende Bandbreite für die Beschleunigungsmessung zu erhalten. Zusätzlich kann über die Wahl des eingeschlossenen Druckes im Sensorinneren das Dämpfungsverhalten beeinflusst werden.

Durch die Wahl der Dämpfungsstrukturen kann die mechanische Grenzfrequenz beeinflusst werden, insbesondere bei konstantem Druck im Sensorinneren, der z.B. 1 bar beträgt.

Vorteilhafterweise ist die Platte durch Verbindungsstege bzw. durch die Aufhängungen in einem Rahmen befestigt, der wiederum durch weitere Verbindungsstege bzw. Aufhängungen schwenkbar gehalten wird. Dabei definieren die ersten Verbindungsstege eine erste Drahachse und die zweiten Verbindungsstege eine zweite Drehachse. Mit einem Beschleunigungsmesser dieser Art ist es möglich, die Beschleunigung in zwei orthogonalen Raumrichtungen parallel zur Plattenebene zu messen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der zur Messung der Beschleunigung senkrecht zur Sensorebene dient;

2 eine schematische Draufsicht von oben auf das Mittelteil des in 1 gezeigten Beschleungiungssensors, wobei die Barunterliegenden Kondensatorflächen ebenfalls dargestellt sind;

3 eine Schnittansicht durch einen Beschleunigungssensor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der zur Messung von Beschleunigungen in Richtung der Sensorebene dient;

4 eine schematische Draufsicht auf ein Mittelteil des in 3 gezeigten Beschleunigungssensors, wobei die Barunterliegenden Kondensatorflächen ebenfalls dargestellt sind;

5a und 5b schematische Schnittansichten eines Beschleunigungssensors gemäß 1, jedoch mit Strukturen zur Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens der Plattenauslenkung;

6 eine schematische Schnittansicht durch einen Beschleunigungssensor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, der zur Messung der Beschleunigung in zwei orthogonalen Richtungen in Plattenebene geeignet ist.

In 1 ist ein Längsschnitt durch einen Beschleunigungssensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Beschleunigungssensor 10 ist in drei Ebenen aufgebaut und umfasst ein Bodenteil 11, ein Mittelteil 12 und ein Deckelteil 13. Bodenteil 11, Mittelteil 12 und Deckelteil 13 sind Wafer, die einzeln strukturiert sind und anschließend zusammengefügt sind. Das Mittelteil 12 bildet einen Rahmen 14 und eine Platte 15, die innerhalb des Rahmens 14 schwenkbar aufgehängt ist.

Das Mittelteil 12 ist aus einkristallinem Silizium gefertigt, wobei der Rahmen 14, die Platte 15 und Aufhängungen 9, die die Platte 15 im Rahmen 14 halten, aus einem Stück heraus strukturiert sind. An jeder der beiden Längsseiten bzw. Kanten der Platte 15 befindet sich jeweils eine Aufhängung 9, so dass die beiden Aufhängungen 9 eine Drehachse A bilden, die sich durch die Platte 15 in Richtung der Plattenebene erstreckt. Auf der Oberseite 15a der Platte 15 ist ein zusätzliches Masseelement 16a befestigt. An der Unterseite 15b der Platte 15 ist ebenfalls ein zusätzliches Masseelement 16b befestigt. Die zusätzlichen Masseelemente 16a, 16b liegen in Form von Kugeln bzw. Stahlkugeln vor, die in zugehörigen radialen Vertiefungen in der Platte 15 positioniert sind. Die Masseelemente 16a, 16b sind Inertialmassen, die aufgrund ihrer Trägheit ein vertikales Kippen der Platte 15 um die Drehachse A bewirken, wenn der Beschleunigungssensor 10 in z-Richtung, also senkrecht zur Plattenebene, beschleunigt wird. Dazu ist die Platte 15 asymmetrisch aufgehängt, d.h., der Schwerpunkt der Platte 15 und der Masseelemente 16a, 16b ist lateral bzw. seitlich in Bezug auf die Drehachse A versetzt.

Die Aufhängungen 9der Platte 15 im Mittelteil 12 haben die gleiche Dicke bzw. annähernd die gleiche Dicke wie die Platte 15 selbst. Sie sind verdrehbar bzw. tordierbar, so dass die Kippbewegung der Platte 15 bei einer auftretenden Beschleunigung in z-Richtung ermöglicht wird. Zusätzlich sind im Sensorinneren Strukturen angebracht, die gezielt das Dämpfungsverhalten der Drehauslenkung beeinflussen. Diese gezielte Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens kann z.B. über die Dimensionierung der Aufhängungen 9 erfolgen.

Die Mittelpunkte der Inertialmassen 16a, 16b sind in einem lateralen Abstand d zur Drehachse A angeordnet. Durch ihre Anordnung symmetrisch zur Mittelteilebene wird erreicht, dass der Beschleunigungssensor exakt empfindlich in z-Richtung ist. Die Inertialmassen bzw. Masseelemente 16a, 16b sind z.B. magnetisch ausgestaltet, so dass eine Selbstjustage und ein selbständiges Halten an der Platte 15 erfolgt.

Das Bodenteil 11 und das Deckelteil 13 sind in der vorliegenden Ausführungsform aus Glas gefertigt. Auf dem Glas des Bodenteils 11 befindet sich eine strukturierte Metallschicht bzw. elektrisch leitende Schicht oder Schichtkombination aus mehreren Schichten. Diese Schicht bildet Elektroden 17 bzw. Elektrodenflächen zur Bereitstellung von Kapazitäten bzw. Kondensatoren zur Auslesung der Verkippung der Platte 15. Dazu sind die flächig ausgestalteten Elektroden 17 gegenüber der Unterseite 15b der Platte 15 angeordnet.

Zusätzlich zu den Elektroden 17 erstrecken sich auf der Oberseite 11a des Bodenteils 11 Leiterbahnen bzw. weitere Metallisierungen, die aus dem Sensorinnenraum nach außen führen und auf einem außenliegenden Bereich der Oberseite 11a des Bodenteils 11 Anschlussflächen 18 zur Kontaktierung der Elektroden 17 von außen bilden. D.h., alle elektrischen Kontaktstellen sind planar und liegen parallel zur Bodenteilebene bzw. auf der Oberseite des Bodenteils 11.

Auf der Oberseite 11a des Bodenteils 11 ist eine erste Vertiefung 11c ausgebildet, d.h., im Randbereich des Bodenteils 11 besteht eine Stufe. Das Mittelteil 12 hat im Bereich der Platte 15 an deren Unterseite 15b ebenfalls eine Vertiefung, so dass der Rahmen 14 eine größere Dicke aufweist, als die Platte 15. Dadurch entsteht zwischen der Platte 15 und dem Bodenteil 11 ein Abstand e, durch den die Auslenkung bzw. Verkippung der Platte 15 um die Drehachse A ermöglicht wird.

Eine zweite Vertiefung bzw. Ausnehmung 11d im Bodenteil 11 dient zur Aufnahme des Masseelements 16b, das an der Unterseite 15b der Platte 15 befestigt ist. Das Deckelteil 13 hat in seinem zentralen Bereich ebenfalls eine Ausnehmung bzw. Vertiefung, so dass zwischen dem Bodenteil 11 und dem Deckelteil 13 ein abgeschlossener Innenraum 19 ausgebildet ist, in dem die Platte 15 mit den Masseelementen 16a, 16b schwenkbar gelagert ist. Der Innenraum 19 ist druckdicht bzw. hermetisch abgeschlossen. Je nach den Einsatzbedingungen des Beschleunigungssensors kann im Innenraum 19 ein bestimmter Druck oder auch Vakuum vorgesehen sein. Bodenteil 11, Mittelteil 12 und Deckelteil 13 sind also derart geformt, dass das Innere des Sensors 10 einen abgeschlossenen Raum bildet. Dabei sind das Bodenteil 11 und das Mittelteil 12 bzw. das Deckelteil 13 und das Mittelteil 12 durch anodisches Bonden miteinander verbunden.

In 2 ist eine Draufsicht von oben auf das Mittelteil 12 schematisch dargestellt. Um die Lage und Ausgestaltung der Elektroden 17 zu verdeutlichen, sind diese in der 2 ebenfalls gezeigt, obwohl sie sich auf dem Bodenteil 11, d.h. unterhalb des Mittelteils 12 befinden. Die Elektroden 17 sind zwei getrennt voneinander verlaufende Metallisierungsbereiche, die sich jeweils auf einer Seite der Drehachse A gegenüber der Platte 15 befinden. Zusammen mit der Platte 15, die im Betrieb ein elektrisches Potential hat, wird somit ein Paar von Kondensatoren gebildet, durch die die Auslenkung bzw. das Verkippen der Platte 15 gemessen wird. Durch die Ausgestaltung eines Elektrodenpaars auf beiden Seiten der Drehachse A ist eine Differenzmessung möglich, d.h., bei einer Auslenkung bzw. Verkippung der Platte 15 vergrößert sich die Kapazität auf einer Seite der Drehachse während sich auf der anderen Seite der Drehachse A die Kapazität verringert.

Die Elektroden 17 auf dem Bodenteil 11 sind über Leiterbahnen 17a mit den außenliegenden Anschlussflächen 18 bzw. Anschlußpads verbunden. Zur Abschirmung gegen elektrische Streusignale sind um jede Elektrodenfläche einschließlich Leiterbahn und Anschlußpad geschlossene Ringleiterbahnen vorgesehen.

In der 2 wird weiterhin die Ausgestaltung des Mittelteils 11 mit dem Rahmen 14, den Aufhängungen 9 und der Platte 15 verdeutlicht. Dabei hat die Platte 15 gegenüberliegende Kanten 15f, an denen jeweils eine der Aufhängungen 9 als Verbindung zum Rahmen 14 ausgestaltet ist.

Der Rahmen 14 ist zwischen dem Bodenteil 11 und dem Deckelteil 13 eingespannt, so dass die Platte 15 frei beweglich im Innenraum 19 des Beschleunigungssensors 10, d.h. in z-Richtung verschwenkbar, gelagert ist (siehe 1).

Die zusätzlichen Masseelemente 16a, 16b bzw. Inertialmassen ragen in z-Richtung aus der Plattenebene heraus bzw. erstrecken sich symmetrisch zur Mittelteilebene nach oben und unten. Es ist aber auch möglich, nur eine Inertialmasse vorzusehen.

In 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der hier dargestellte Beschleunigungssensor 100 ist jedoch empfindlich für laterale Beschleunigungen, d.h., für Beschleunigungen in x-Richtung bzw. in Richtung der Plattenebene. Dazu ist die Platte 150 symmetrisch aufgehängt. Die Drehachse A befindet sich im Zentrum der Platte 150 und erstreckt sich in Richtung der Plattenebene bzw. in y-Richtung. Oberhalb der Drehachse A ist ein zusätzliches Masseelement 160 angeordnet, wobei sich der Schwerpunkt des Masseelements 160 bzw. der Inertialmasse genau über der Drehachse A befindet. Durch den vertikalen Versatz der Inertialmasse bzw. des Masseelements 160 in Bezug auf die Drehachse A befindet sich der Schwerpunkt des Systems aus Platte 150 und Masseelement 160 ebenfalls oberhalb der Drehachse A. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors 100 in x-Richtung wird deshalb die Platte 150 um die Drehachse A aufgrund der Massenträgheit verkippt bzw. ausgelenkt. Bei einer Beschleunigung in z-Richtung, d.h. senkrecht zur Wafer- bzw. Plattenebene ergibt sich hingegen keine Auslenkung.

Zur Messung der Auslenkung sind auf dem Bodenteil 110 aus Glas Elektroden 170 in Form von elektrisch leitenden Bereichen bzw. Metallisierungen aufgebracht, die zusammen mit der gegenüberliegenden Platte 150 ein Kondensatorpaar bzw. ein Paar von Kapazitäten bilden. Auch in der hier gezeigten Ausführungsform erfolgt eine Messung von Differenzwerten bei der Auslesung, da sich bei einer Auslenkung der Platte 150 die Kapazität des Kondensators auf der einen Seite der Drehachse A verringert, während sich die Kapazität des Kondensators auf der anderen Seite der Drehachse A vergrößert.

Bodenteil 110, Mittelteil 120 und Deckelteil 130 sind im übrigen ähnlich wie beim Beschleunigungssensor 10 gemäß den 1 und 2 aufgebaut, ebenso wie weitere Funktionselemente.

4 zeigt zur Verdeutlichung das Mittelteil 120 des in 3 gezeigten Sensors, sowie die Lage der Kondensatoren zur Auslesung in Bezug auf das Mittelteil 120. Daher ist in 4, genauso wie in 2, nicht nur eine Draufsicht auf das Mittelteil gezeigt, sondern ebenfalls die Struktur der Barunterliegenden elektrisch leitenden Bereiche bzw. Metallinierungen zur Bildung der Elektroden und Anschlussflächen.

Das Mittelteil 120 umfasst einen rechteckigen Rahmen 140 und die innerhalb des Rahmens 140 schwenkbar gelagerte Platte 150, auf der das zusätzliche Massenelement 160 angeordnet ist. Aufhängungen 90 bilden eine verdrehbare bzw. tordierbare Verbindung zwischen der Platte 150 und dem Rahmen 140. Die Aufhängungen 90 sind jeweils an einer Kante 150f an gegenüberliegenden Seiten der Platte 150 angeordnet und definieren so die Drehachse A, die sich in der Plattenebene durch die Platte 150 hindurch erstreckt. Dabei deckt sich die Drehachse A in der Projektion von oben mit dem Mittelpunkt des Masseelements 160, das ebenfalls in Form einer Stahlkugel vorliegt.

Auf jeder Seite der Drehachse A befindet sich ein Kondensator zur kapazitiven Auslesung der Verkippung der Platte 150. Das Kondensatorpaar bzw. die Kondensatoren werden durch die Metallinierungen bzw. Elektroden 170 auf der Oberseite des Bodenteils 110 und die gegenüberliegende Platte 150 gebildet. Nach außen führende Metallisierungsbereiche bilden außenliegende Anschlussflächen 180 zur Kontaktierung der Elektroden 170. Die Metallisierungen 170 liegen auf einer Ebene und bilden eine druckdichte Verbindung zum abgeschlossenen Innenraum des Beschleunigungssensors 100.

Im Hinblick auf die übrigen Elemente, Funktionen, Merkmale und Aspekte des Sensors 100 wird auf das oben in Bezug auf die erste Ausführungsform gesagte bezug genommen.

Weiterhin kann der Beschleunigungssensor 10 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform mit dem Beschleunigungssensor 100 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform kombiniert werden. In diesem Fall sind im Mittelteil zwei oder mehr Platten 15, 150 mit zugehörigen Inertialmassen 16a, 16b, 160 vorgesehen. Davon ist eine Platte mit zugehöriger Inertialmasse, Aufhängung und Kondensatorpaar gemäß 1 und 2 ausgestaltet, während mindestens eine weitere Platte mit Inertialmasse, Aufhängung und Kondensatorpaar gemäß den 3 und 4 ausgestaltet ist. Somit ergibt sich auf einfache Weise ein Sensor, der aus drei Ebenen bzw. drei übereinanderliegenden Wafern aufgebaut ist und Beschleunigungen sowohl in z-Richtung, d.h. senkrecht zur Waferebene, als auch in x- bzw. y-Richtung, d.h. parallel zur Wafer- bzw. Sensorebene erfasst.

Die Vorteile der Kombination aus zwei oder mehreren dieser Beschleunigunssensoren liegen insbesondere darin, dass die Herstellungskosten reduziert werden können, dass die Anschlussstellen nebeneinander in einer Ebene liegen können, was den Aufwand und die Kosten für die Kontaktierung der Sensoren reduziert, dass aufgrund desselben Funktionsprinzips dieselbe Auswerteelektronik verwendet werden kann, dass die lateralen Ausdehnungen der Sensoren kleiner sind als bei der Kombination von getrennt hergestellten Sensoren, was zur weiteren Miniaturisierung und zur Kostenreduzierung beiträgt, und dass eine Ausrichtung der Empfindlichkeitsachsen nicht mehr notwendig ist, sondern automatisch mit extrem hoher Genauigkeit erfolgt.

Die folgenden Figuren zeigen noch weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, wobei die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele selbstverständlich miteinander kombiniert werden können.

In den 5a und 5b ist der Beschleunigungssensor ähnlich wie in 1 dargestellt, wobei jedoch im Mittelteil 12 Strukturen 80, 81 zur Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens der mechanischen Auslenkung der Platte vorgesehen sind. Die Strukturen 80, 81 bestehen beispielsweise aus Vertiefungen im Mittelteil 12 oder aus Löcher oder Schlitzen, die das gesamte Mittelteil durchdringen (5b). Damit ist es möglich das Resonanzverhalten der Plattenauslenkung überkritisch zu dämpfen und gleichzeitig eine ausreichende Bandbreite für die Beschleunigungsmessung zu erhalten. Zusätzlich kann über die Wahl des eingeschlossenen Druckes im Sensorinneren das Dämpfungsverhalten beeinflusst werden.

Die 6 zeigt in ähnlicher Ansicht wie die 3 und 4 und in Ergänzung dazu einen Beschleunigungssensor 200 mit kardanischer Plattenstruktur als weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung.

Wie aus der Schnittansicht gemäß 6 entnehmbar ist, befindet sich die Inertialmasse bzw. das Masseelement 260 auf einer inneren Platte 250 und bewirkt bei Einwirken einer Beschleunigung in x-Richtung, d.h. parallel zur Plattenebene, eine Auslenkung der inneren Platte 250 um eine erste bzw. innere Drehachse A, die sich in der Plattenebene in y-Richtung erstreckt.

Die innere Platte 250 ist durch ein erstes Paar von Verbindungsstegen bzw. erste Aufhängungen in einem Rahmen 251 bzw. einer äusseren Platte befestigt, die wiederum bei Einwirken einer Beschleunigung in einer zweiten Richtung, d.h. in y-Richtung, eine Auslenkung bzw. ein Verschwenken um eine zweite bzw. äussere Drehachse B erfährt, die senkrecht zur ersten Drehachse A ausgerichtet ist.

Die zweite Drehachse B wird durch ein zweites Paar von Verbindungsstegen bzw. zweite Aufhängungen definiert, durch die die bewegliche, kardanische Plattenstruktur 250, 251 an den unbeweglichen Teilen des Mittelteils 220 befestigt ist. Paarweise angeordnete innere Elektroden 270 und äussere Elektroden 271, die auf dem Unterteil 210 ausgebildet sind, bilden gemeinsam mit der Plattenstruktur 250, 251 ein inneres und ein äusseres Kondensatorpaar und dienen zur Aufnahme der Auslenkungen der jeweiligen Platte. Die Kontaktierung erfolgt über das Abschlußpad bzw. die Anschlußfläche 280.

Die weiteren Elemente des Beschleunigungssensors 200 entsprechen denjenigen des in den 3 und 4 gezeigten Beschleunigungssensors. Mit einem auf diese Weise ausgestalteten, erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor ist es möglich, die Beschleunigung in zwei orthogonalen Raumrichtungen parallel zur Plattenebene zu messen.


Anspruch[de]
  1. Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit

    einer Platte (15; 150; 250), die schwenkbar um eine Drehachse (A) befestigt ist, so dass die Platte (15;150; 250) bei einer senkrecht zur Drehachse (A) wirkenden Beschleunigung aufgrund einer Trägheitskraft eine Auslenkung erfährt,

    und mit einer Einrichtung (17; 170; 270) zur Messung der Auslenkung,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass in der Platte (15; 150; 250) mindestens eine Vertiefung ausgestaltet ist, in der eine zusätzliche Inertialmasse (16a, 16b; 160; 260) befestigt ist.
  2. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens drei Ebenen aufgebaut ist, wobei die Platte (15;150; 250) zwischen einem Bodenteil (11; 110; 210) und einem Deckelteil (13; 130; 230) befestigt ist.
  3. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (15; 150; 250) durch mindestens zwei gegenüberliegende Aufhängungen (9; 90; 290) befestigt ist, welche die Drehachse (A) definieren, wobei sich die Drehachse (A) durch die Platte (15; 150; 250) erstreckt.
  4. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Messung der Auslenkung (17; 170; 270) mindestens zwei Kapazitäten umfasst, die auf beiden Seiten der Drehachse (A) so ausgebildet ist, dass sich bei einem Verkippen der Platte (15; 150; 250) um die Drehachse (A) die eine Kapazität erhöht, während sich die andere Kapazität verringert.
  5. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bodenteil (11; 110) und/oder Platte (15; 150) und/oder Deckelteil (13; 130) aus jeweils einem Wafer gebildet sind.
  6. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (15) asymmetrisch aufgehängt ist, so dass bei einer senkrecht zur Plattenebene auftretenden Beschleunigung ein Verkippen der Platte (15) um die Drehachse (A) erfolgt.
  7. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (15a) und auf der Unterseite (15b) der Platte (15) jeweils eine Inertialmasse (16a, 16b) angeordnet ist, wobei die beiden Inertialmassen symmetrisch zur Plattenebene angeordnet sind.
  8. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialmasse (160; 260) senkrecht zur Plattenebene versetzt angeordnet ist, so dass bei einer in Richtung der Plattenebene auftretenden Beschleunigung ein Verkippen der Platte (150; 250) um die Drehachse (A) erfolgt.
  9. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (15; 150; 250) in einem Mittelteil (12; 120; 220) ausgestaltet ist, das ein Feder-Masse-System mit einer auf die Platte in ausgelenktem Zustand wirkenden Rückstellkraft bildet.
  10. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenteil (11; 110; 210) und/oder das Deckelteil (13; 130; 230) aus einem isolierenden Material, insbesondere Glas, gebildet ist und eine elektrisch leitende Schicht trägt, die eine Elektrodenfläche der Messeinrichtung (17; 170; 270) bildet.
  11. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialmasse aus einem Material gefertigt ist, das eine höhere Dichte aufweist als das Material der Plate (15;150; 250).
  12. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialmasse (16a, 16b; 160; 260) kugelförmig ausgebildet ist und aus einem Material gefertigt ist, dessen Dichte unabhängig von der Dichte des Plattenmaterials frei wählbar ist.
  13. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Bodenteils (11; 110; 210) freiliegende Anschlussflächen (18; 180; 280) zur Kontaktierung von Elektroden (17; 170; 270) in einem Innenraum (19) des Beschleunigungssensors (10; 100) angeordnet sind.
  14. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (17; 170; 270) zur kapazitiven Auslesung von geschlossenen Ringleiterbahnen umgeben sind.
  15. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenteil (11; 110; 210) und/oder im Mittelteil (12; 120; 220) eine Vertiefung vorgesehen ist, die einen Spalt zwischen der Platte (15; 150; 250) und dem Bodenteil (11; 110; 210) bildet.
  16. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bodenteil (11; 110; 210) und dem Deckelteil (13; 130; 230) ein hermetisch abgeschlossener Innenraum (19) ausgebildet ist, in dem sich die Platte befindet (15; 150; 250), wobei Leiterbahnen auf dem Bodenteil nach außen führen.
  17. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (15; 150; 250) und/oder die Aufhängungen (9; 90; 290) aus Silizium gefertigt sind, insbesondere aus einkristallinem Silizium.
  18. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei Platten (15; 150; 250) mit zusätzlichen Inertialmassen (16a, 16b, 160) und jeweils einer zugehörigen Drehachse (A) umfasst, wobei bei der ersten Platte (15) der Massenschwerpunkt gegenüber der zugehörigen Drehachse in Richtung der Plattenebene versetzt ist, während bei der zweiten Platte (150; 250) der Massenschwerpunkt gegenüber der zugehörigen Drehachse senkrecht zur Plattenebene versetzt ist.
  19. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenteil (11; 110; 210) und/oder im Mittelteil (12; 120; 220) zusätzliche Strukturen (80; 81) zur Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens der Plattenbewegung vorgesehen sind.
  20. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (250) durch Verbindungsstege (290) in einem Rahmen (251) befestigt ist, wobei die Verbindungsstege (290) die Drehachse (A) definieren, und wobei der Rahmen durch weitere Verbindungsstege (291) gehalten wird, die eine zweite Drehachse (B) definieren.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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