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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor
gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum
Betreiben eines mikromechanischen Beschleunigungssensors gemäß Patentanspruch
12.
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Stand der Technik
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Aus
Halbleitersubstraten gefertigte mikromechanische Beschleunigungssensoren
sind bekannt. Es ist weiter bekannt, bei kapazitiven Beschleunigungssensoren
mit einer Detektionsrichtung senkrecht zu einer Waferebene Wippenelektroden
zu verwenden, die auf einem Feder-Masse-System basieren, in dem
eine bewegliche seismische Masse mit zwei auf einem Substrat fixierten
Gegenelektroden jeweils einen Plattenkondensator bildet. Die seismische
Wippenmasse ist dabei über eine Torsionsfeder mit dem Substrat
verbunden. Falls die Masse der seismischen Wippenelektrode bezüglich
der Torsionsfeder asymmetrisch verteilt ist, so bewirkt eine senkrecht
zur Substratoberfläche angreifende Beschleunigung ein Verkippen
der Wippenmasse relativ zur Torsionsfeder. Dadurch ändern
sich die Kapazitäten der beiden Plattenkondensatoren mit
entgegengesetzten Vorzeichen. Die Kapazitätsänderungen stellen
ein Maß für die Größe der einwirkenden
Beschleunigung dar. Ähnliche Beschleunigungssensoren sind
beispielsweise aus den Druckschriften
EP 0 773 443 B1 und
EP 0 244 581 A1 bekannt.
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Ein
Nachteil solcher Beschleunigungssensoren besteht in ihrer Empfindlichkeit
gegenüber durch mechanischen Stress verursachten Störungen.
Derartiger mechanischer Stress kann beispielsweise in einer durch
ein Gehäuse des Beschleunigungssensors induzierten asymmetrischen
Verbiegung des Substrats bestehen. Eine solche asymmetrische Substratverbiegung
führt zu einer Verän derung der Kapazitäten
der Plattenkondensatoren, die fälschlich als einwirkende
Beschleunigung erkannt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten mikromechanischen
Beschleunigungssensor bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch
einen Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Beschleunigungssensors
anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in
den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein
erfindungsgemäßer mikromechanischer Beschleunigungssensor
umfasst ein Substrat mit einer in einer Ebene angeordneten Substratoberfläche, einer
an der Substratoberfläche angeordneten ersten Gegenelektrode,
einer an der Substratoberflache angeordneten zweiten Gegenelektrode
und einer oberhalb der ersten Gegenelektrode und der zweiten Gegenelektrode
angeordneten Wippenmasse. Dabei ist die Wippenmasse über
eine Torsionsfeder mit dem Substrat verbunden, die ein Verkippen
der Wippenmasse um eine Drehachse gestattet. Weiter sind eine an
der Substratoberfläche angeordnete erste Kompensations-Gegenelektrode
und ein eine an der Substratoberfläche angeordnete zweite
Kompensations-Gegenelektrode vorgesehen. Außerdem sind eine
erste Kompensations-Elektrode oberhalb der ersten Kompensations-Gegenelektrode
und eine zweite Kompensations-Elektrode oberhalb der zweiten Kompensations-Gegenelektrode
angeordnet.
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Vorteilhafterweise
reagieren die erste und die zweite Kompensations-Elektrode in erster
Näherung nicht auf eine auf den Beschleunigungssensor einwirkende
Beschleunigung. Auf eine asymmetrische Substratverbiegung reagieren
die erste und die zweite Kompensations-Elektrode jedoch in ähnlicher Weise
wie die Wippenmasse. Dadurch ist es möglich, die Auswirkungen
einer asymmetrischen Verbiegung des Substrats von einer Beschleunigung
zu unterscheiden und sie zu kompensieren. Vorteilhafterweise gestattet
dies die Herstellung von Beschleunigungssensoren, die deutlich unempfindlicher
auf durch ein Gehäuse verursachte Stresseinflüsse
reagieren. Dies gestattet es, Gehäusetypen zu verwenden,
die höhere Stresseinflüsse auf den Beschleunigungssensor
ausüben, dafür aber kostengünstiger sind.
Beispielsweise können Moldgehäuse anstelle von
Premoldgehäusen verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise
sind die erste Kompensations-Elektrode und die zweite Kompensations-Elektrode
starr mit dem Substrat verbunden. Vorteilhafterweise wird dadurch
gewährleistet, dass die erste und die zweite Kompensations-Elektrode sich
in erster Näherung unter dem Einfluss einer auf den Beschleunigungssensor
einwirkenden Beschleunigung nicht bewegen.
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Bevorzugt
ist die erste Gegenelektrode elektrisch mit der zweiten Kompensations-Gegenelektrode
verbunden und die zweite Gegenelektrode elektrisch mit der ersten
Kompensations-Gegenelektrode verbunden. Vorteilhafterweise bewirkt
eine solche komplementäre Verschaltung eine automatische Kompensation
von durch asymmetrische Substratverbiegungen verursachten Signal-Offsets.
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Zweckmäßigerweise
sind die erste Kompensations-Elektrode und die zweite Kompensations-Elektrode
bezüglich einer Spiegelung an der Torsionsfeder symmetrisch
zueinander ausgebildet. Bevorzugt wird dadurch eine besonders gute
Kompensation der Einflüsse asymmetrischer Substratverbiegungen
erreicht.
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Ebenfalls
ist es zweckmäßig, die erste Kompensations-Gegenelektrode
und die zweite Kompensations-Gegenelektrode bezüglich einer
Spiegelung an der Torsionsfeder symmetrisch zueinander auszubilden.
Vorteilhafterweise unterstützt auch dies eine gute Kompensierbarkeit
der Einflüsse asymmetrischer Substratverbiegungen.
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Gemäß einer
Weiterbildung des mikromechanischen Beschleunigungssensors weist
ohne eine auf den Beschleunigungssensor wirkende Beschleunigung
eine erste elektrische Sensorkapazität zwischen der Wippenmasse
und der ersten Gegenelektrode ungefähr die gleiche Größe
auf wie eine erste elektrische Kompensationskapazität zwischen
der zweiten Kompensations-Elektrode und der zweiten Kompensations-Gegenelektrode,
und eine zweite elektrische Sensorkapazität zwischen der
Wippenmasse und der zweiten Gegenelektrode ungefähr die gleiche
Größe auf wie eine zweite elektrische Kompensationskapazität
zwischen der ersten Kompensations-Elektrode und der ersten Kompensations- Gegenelektrode.
Vorteilhafterweise unterstützt auch dies eine gute Kompensierbarkeit
von Einflüssen einer asymmetrischen Substratverbiegung.
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Bevorzugt
ist der mikromechanische Beschleunigungssensor mit einer Auswertschaltung verbindbar,
die dazu ausgebildet ist, eine Differenz zwischen einer Summe aus
der ersten elektrischen Sensorkapazität und der ersten
elektrischen Kompensationskapazität und einer Summe aus
der zweiten elektrischen Sensorkapazität und der zweiten elektrischen
Kompensationskapazität zu bilden. Vorteilhafterweise stellt
diese Differenz ein Maß für eine auf den Beschleunigungssensor
wirkende Beschleunigung senkrecht zur Substratoberfläche
dar.
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Gemäß einer
Ausführungsform des mikromechanischen Beschleunigungssensors
ist die erste Kompensations-Elektrode an einem der Torsionsfeder
zugewandten Ende der ersten Kompensations-Elektrode über
einen ersten Pfosten mit dem Substrat verbunden und die zweite Kompensations-Elektrode
an einem der Torsionsfeder zugewandten Ende der zweiten Kompensations-Elektrode über
einen zweiten Pfosten mit dem Substrat verbunden. Vorteilhafterweise
bewirkt eine solche Aufhängung der Kompensations-Elektroden
nahe der Aufhängung der Torsionsfeder, dass die Kompensations-Elektroden
auf eine asymmetrische Substratverbiegung ähnlich reagieren
wie die Wippenmasse.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform des mikromechanischen Beschleunigungssensors
sind die Torsionsfeder, die erste Kompensations-Elektrode und die
zweite Kompensations-Elektrode an einem gemeinsamen Aufhängungspfosten
mit dem Substrat verbunden. Vorteilhafterweise wirkt sich eine asymmetrische
Substratverbiegung in dieser Ausführungsform besonders ähnlich
auf die Kompensations-Elektroden wie auf der Wippenelektrode aus.
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Bevorzugt
umschließt die Wippenmasse die erste Kompensations-Elektrode
teilweise. Vorteilhafterweise kann dadurch eine asymmetrische Substratverbiegung
in einer ersten Richtung bezüglich der Ebene der Substratoberfläche
vollständig kompensiert werden.
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Ebenfalls
bevorzugt sind mehrere erste Gegenelektroden und/oder mehrere erste
Kompensations-Gegenelektroden vorgesehen. Vorteilhafterweise können dann
in alle Richtungen der Ebene der Substratoberfläche wirkende
asymmetrische Substratverbiegungen kompensiert werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines
mikromechanischen Beschleunigungssensors weist Verfahrensschritte
auf zum Erfassen einer ersten Summe aus der ersten elektrischen
Sensorkapazität und der ersten elektrischen Kompensationskapazität,
zum Erfassen einer zweiten Summe aus der zweiten elektrischen Sensorkapazität
und der zweiten elektrischen Kompensationskapazität, zum
Bilden einer Differenz zwischen der ersten Summe und der zweiten
Summe, und zum Ermitteln einer Größe und einer
Richtung einer auf den Beschleunigungssensor wirkenden Beschleunigung
anhand von Betrag und Vorzeichen der Differenz. Vorteilhafterweise
gestattet es dieses Verfahren, die Auswirkungen einer asymmetrischen
Verbiegung des Substrats auf den Beschleunigungssensor von einer
auf den Beschleunigungssensor wirkenden Beschleunigung zu unterscheiden.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleich
wirkende Teile einheitliche Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor gemäß einer ersten
Ausführungsform;
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2 eine
Aufsicht auf den Beschleunigungssensor der ersten Ausführungsform;
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3 einen
weiteren Schnitt durch den Beschleunigungssensor der ersten Ausführungsform;
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4 einen
Schnitt durch den Beschleunigungssensor während des Einwirkens
einer Beschleunigung;
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5 einen
Schnitt durch den Beschleunigungssensor unter dem Einfluss einer
Substratverbiegung;
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6 eine
Aufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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7 einen
Schnitt durch den Beschleunigungssensor der zweiten Ausführungsform;
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8 eine
Aufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer
dritten Ausführungsform und
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9 einen
Schnitt durch den Beschleunigungssensor der dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Beschleunigungssensor 100. 2 zeigt
eine Aufsicht auf den Beschleunigungssensor 100 der 1. 3 zeigt
einen zur Substratoberfläche 115 parallelen Schnitt
durch den Beschleunigungssensor 100. Der Beschleunigungssensor 100 umfasst
ein Substrat 110 mit einer in einer x-y-Ebene angeordneten Substratoberfläche 115.
Bei dem Substrat 110 kann es sich beispielsweise um ein
Siliziumsubstrat handeln. Auf der Substratoberflache 115 ist
eine Isolationsschicht 120 angeordnet. Die Isolationsschicht 120 kann
beispielsweise aus einem Siliziumoxid bestehen.
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In 3 ist
erkennbar, dass auf der Isolationsschicht 120 eine erste
Gegenelektrode 210, eine zweite Gegenelektrode 220,
eine dritte Gegenelektrode 215, eine vierte Gegenelektrode 225,
eine erste Kompensations-Gegenelektrode 260 und eine zweite Kompensationsgegenelektrode 265 angeordnet
sind. Die Gegenelektroden 210, 215, 220, 225 und
die Kompensations-Gegenelektroden 260, 265 bestehen aus
einem leitfähigen Material, beispielsweise aus dotiertem
Polysilizium. Die erste Gegenelektrode 210 ist in y-Richtung
auf einer ersten Seite neben der ersten Kompensations-Gegenelektrode 260 angeordnet,
die dritte Gegenelektrode 215 in y-Richtung auf einer zweiten
Seite neben der ersten Kompensations-Gegenelektrode 260.
Die zweite Gegenelektrode 220 ist in y-Richtung auf einer
ersten Seite neben der zweiten Kompensations-Gegenelektrode 265 angeordnet,
die vierte Gegenelektrode 225 in y-Richtung auf einer zweiten
Seite neben der zweiten Kompensations-Gegenelektrode 265.
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Die
erste Gegenelektrode 210, die erste Kompensations-Gegenelektrode 260 und
die dritte Gegenelektrode 215 sind bezüglich einer
Spiegelung an einer zur y-Achse parallelen Spiegelebene spiegelsymmetrisch
zu der zweiten Gegenelektrode 220, der zweiten Kompensations-Gegenelektrode 265 und
der vierten Gegenelektrode 225 ausgebildet.
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Zusätzlich
sind auf der Isolationsschicht 120 eine erste Zuleitung 190,
eine Wippenzuleitung 180 und eine zweite Zuleitung 195 angeordnet,
die jeweils parallel zur y-Richtung zwischen der ersten Kompensations-Gegenelektrode 260 und
der zweiten Kompensations-Gegenelektrode 265 verlaufen. Die
erste Zuleitung 190 liegt näher an der ersten Kompensations-Gegenelektrode 260.
Die zweite Zuleitung 195 liegt näher an der zweiten
Kompensations-Gegenelektrode 265. Die Wippenzuleitung 180 verläuft
zwischen erster Zuleitung 190 und zweiter Zuleitung 195.
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In
z-Richtung oberhalb der ersten Kompensations-Gegenelektrode 260 ist
eine erste Kompensations-Elektrode 160 angeordnet. In z-Richtung oberhalb
der zweiten Kompensations-Gegenelektrode 265 ist eine zweite
Kompensations-Elektrode 165 angeordnet. Dies ist in 1 und 2 erkennbar. Die
Kompensations-Elektroden 160, 165 weisen etwa
die gleiche Form und Abmessung wie die Kompensations-Gegenelektroden 260, 265 auf.
Die Kompensations-Elektroden 160, 165 werden an
beiden zur x-Richtung parallelen Außenseiten und einer
zur y-Richtung parallelen Außenseite von einer U-förmigen
Wippe 130 umgeben, die in z-Richtung oberhalb der Gegenelektroden 210, 215, 220, 225 angeordnet ist.
Der parallel zur y-Achse orientierte Teil der Wippe 130 ist
nicht oberhalb einer Gegenelektrode, sondern direkt oberhalb der
Isolationsschicht 120 angeordnet und bildet eine Zusatzmasse 135.
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Die
erste Kompensations-Elektrode 160 ist über einen
ersten Pfosten 170 mit der ersten Zuleitung 190 verbunden.
Die zweite Kompensations-Elektrode 165 ist über
einen zweiten Pfosten 175 mit der zweiten Zuleitung 195 verbunden.
Die Wippe 130 ist über eine parallel zur y-Richtung
orientierte Torsionsfeder 140 mit einem Wippenpfosten 150 verbunden.
Der Wippenpfosten 150 verbindet die Torsionsfeder 140 mit
der Wippenzuleitung 180. Der erste Pfosten 170 ist
am der zweiten Kompensations-Elektrode 165 zugewandten
Ende der ersten Kompensations-Elektrode 160 angeordnet.
Der zweite Pfosten 175 ist am der ersten Kompensations-Elektrode 160 zugewandten
Ende der zweiten Kompensations-Elektrode 165 angeordnet.
Der erste Pfosten 170, der Wippenpfosten 150 und
der zweite Pfosten 175 sind somit unmittelbar benachbart.
Die Pfosten 170, 150, 175 sind in einem
zentralen Bereich in der x-y-Ebene des Beschleunigungssensors 100 in x-Richtung
nebeneinander angeordnet.
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Die
Torsionsfeder 140 erlaubt ein Verkippen der Wippe 130 um
eine durch die Torsionsfeder 140 gebildete Drehachse. Wegen
der Zusatzmasse 135 ist die Masse der Wippe 130 asymmetrisch
auf beide Seiten der Torsionsfeder 140 verteilt. Dadurch
bewirkt eine in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 100 wirkende
Beschleunigung ein Verkippen der Wippe 130 um die durch
die Torsionsfeder 140 gebildete Drehachse. Dies ist in 4 dargestellt.
Im Beispiel der 4 greift eine in negative z-Richtung wirkende
Beschleunigung am Beschleunigungssensor 100 an. Dadurch
wird die Wippe 130 derart verkippt, dass die Zusatzmasse 135 sich
der Substratoberfläche 115 annähert.
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Die
erste Gegenelektrode 210 und die dritte Gegenelektrode 215 bilden
gemeinsam mit der Wippe 130 einen Plattenkondensator mit
einer ersten elektrischen Sensorkapazität C1A, deren Größe
vom Abstand der Wippe 130 von den Gegenelektroden 210, 215 abhängt.
Die zweite Gegenelektrode 220 und die vierte Gegenelektrode 225 bilden
mit der Wippe 130 einen Plattenkondensator mit einer zweiten
elektrischen Sensorkapazität C2A, deren Größe vom
Abstand der Wippe 130 von den Gegenelektroden 220, 225 abhängt.
Bewirkt eine auf den Beschleunigungssensor 100 wirkende
Beschleunigung ein Verkippen der Wippe 130 um die Torsionsfeder 140,
so nimmt eine der Sensorkapazitäten C1A, C2A zu, während
die andere abnimmt. Eine Differenz zwischen den Sensorkapazitäten
C1A, C2A stellt somit ein Maß für die Größe
einer auf den Beschleunigungssensor 100 wirkenden Beschleunigung
dar.
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5 zeigt
einen weiteren Schnitt durch den Beschleunigungssensor 100.
In der Darstellung der 5 weist das Substrat 110 eine
asymmetrische Substratverbiegung 300 auf. Die Substratverbiegung 300 bewirkt
eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den Gegenelektroden 210, 215 und
der Wippe 130, wodurch sich auch die erste elektrische
Sensorkapazität C1A verändert. Da die Substratverbiegung 300 asymmetrisch
ausgebildet ist, bleibt der Abstand zwischen den Gegenelektroden 220, 225 und
der Wippe 130 und somit auch die zweite elektrische Sensorkapazität
C2A unverändert. Die sich ergebende Änderung der
Differenz der Sensorkapazitäten C1A und C2A kann fälschlicherweise
als in z-Richtung wirkende Beschleunigung interpretiert werden. Der
Beschleunigungssensor 100 ist jedoch dazu ausgebildet,
die Auswirkung der asymmetrischen Substratverbiegung 300 zu
kompensieren, wie im Folgenden gezeigt wird.
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Die
zweite Kompensations-Gegenelektrode 265 und die zweite
Kompensationselektrode 165 bilden eine erste elektrische
Kompensationskapazität C1B, deren Größe
vom Abstand zwischen der zweiten Kompensations-Gegenelektrode 265 und
der zweiten Kompensations-Elektrode 165 abhängt.
Die erste Kompensations-Gegenelektrode 260 und die erste
Kompensations-Elektrode 160 bilden einen Plattenkondensator
mit einer zweiten elektrischen Kompensationskapazität C2B,
deren Größe vom Abstand zwischen der ersten Kompensations-Gegenelektrode 260 und
der ersten Kompensations-Elektrode 160 abhängt.
Die erste Gegenelektrode 210 und die dritte Gegenelektrode 215 sind
elektrisch mit der zweiten Kompensations-Gegenelektrode 265 verbunden.
Dadurch ergibt sich eine erste elektrische Gesamtkapazität
C1 als Summe aus der ersten elektrischen Sensorkapazität
C1A und der ersten elektrischen Kompensationskapazität
C1B. Die zweite Gegenelektrode 220 und die vierte Gegenelektrode 225 sind
mit der ersten Kompensations-Gegenelektrode 260 elektrisch
verbunden. Dadurch ergibt sich eine zweite elektrische Gesamtkapazität
C2 als Summe aus der zweiten elektrischen Sensorkapazität
C2A und der zweiten elektrischen Kompensationskapazität
C2B.
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Bevorzugt
weist die erste elektrische Sensorkapazität C1A etwa dieselbe
Größe wie die zweite elektrische Sensorkapazität
C2A auf. Außerdem weist die erste elektrische Kompensationskapazität C1B
bevorzugt etwa die gleiche Größe wie die zweite elektrische
Kompensationskapazität C2B auf. in einem Ruhezustand des
Beschleunigungssensors 100, in dem keine Beschleunigung
am Beschleunigungssensor 100 angreift, ist eine Differenz
zwischen der ersten elektrischen Gesamtkapazität C1 und
der zweiten elektrischen Gesamtkapazität C2 dann näherungsweise
gleich 0.
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Im
in 4 dargestellten Fall einer auf den Beschleunigungssensor 100 in
z-Richtung wirkenden Beschleunigung ändern sich die Abstände
zwischen der Wippe 130 und den Gegenelektroden 210, 215, 220, 225,
wodurch sich, wie be reits dargestellt, die Sensorkapazitäten
C1A, C2A mit entgegengesetzten Vorzeichen ändern. Die Abstände
zwischen den Kompensations-Elektroden 160, 165 und
den Kompensations-Gegenelektroden 260, 265 bleiben
jedoch unverändert, wodurch auch die Kompensationskapazitäten
C1B, C2B konstant bleiben. Folglich ändert sich die Differenz
zwischen der ersten elektrischen Gesamtkapazität C1 und
der zweiten elektrischen Gesamtkapazität C2 auf einen Wert
ungleich 0, der ein Maß für die Größe
und die Richtung der auf den Beschleunigungssensor 100 wirkenden
Beschleunigung darstellt.
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Im
Fall der in 5 dargestellten asymmetrischen
Substratverbiegung 300 ändert sich sowohl der
Abstand zwischen den Gegenelektroden 210, 215 und
der Wippe 130, als auch der Abstand zwischen der ersten
Kompensations-Gegenelektrode 260 und der ersten Kompensations-Elektrode 160. Dadurch
reduzieren sich die erste elektrische Sensorkapazität C1A
und die zweite elektrische Kompensationskapazität C2B um
ungefähr gleiche Werte, beispielsweise einen Wert dV. Die
erste elektrische Gesamtkapazität C1 wird dann zu C1 =
C1A – dV + C1B, während die zweite Gesamtkapazität
C2 zu C2 = C2A + C2B – dV wird. Die Differenz zwischen
den Gesamtkapazitäten C1 und C2 bleibt somit unverändert
ungefähr gleich 0. Dadurch wird die Substratverbiegung 300 nicht
fälschlicherweise als in z-Richtung wirkende Beschleunigung
interpretiert.
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Die
Gegenelektroden 210, 215, 220, 225 und die
Kompensations-Gegenelektroden 260, 265 können
beispielsweise mit einer in den Figuren nicht dargestellten Auswertschaltung
verbunden sein, die die beschriebene Auswertung der Gesamtkapazitäten C1,
C2 vornimmt.
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Die
in 3 dargestellte Anordnung der Gegenelektroden 210, 215, 220, 225 und
der Kompensations-Gegenelektroden 260, 265 kann
eine rein in x-Richtung wirkende asymmetrische Verbiegung des Substrats 110 vollständig
kompensieren. Dadurch, dass die erste Kompensations-Gegenelektrode 260 in
y-Richtung beidseitig von den Gegenelektroden 210, 215 benachbart
ist und die zweite Kompensations-Gegenelektrode 265 in
y-Richtung zwischen der zweiten Gegenelektrode 220 und
der vierten Gegenelektrode 225 angeordnet ist, können
auch in y-Richtung wirkende asymmetrische Verbiegungen des Substrats 110 teilweise
kompensiert werden. Um auch in y-Richtung eine vollständige
Kompensation zu erreichen, kann die Segmentierung der Gegenelektroden 210, 215, 220, 225 weiter
erhöht werden. Dies ist in 6 und 7 dargestellt.
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6 zeigt
eine Aufsicht auf einen Beschleunigungssensor 1100 gemäß einer
zweiten Ausführungsform. 7 zeigt
in einem zur x-y-Ebene parallelen Schnitt die mit dem Substrat 110 verbundenen
Elektroden des Beschleunigungssensors 1100. Der Beschleunigungssensor 1100 weist
mit dem Substrat 110 verbunden eine dritte Kompensations-Gegenelektrode 1260,
eine vierte Kompensations-Gegenelektrode 1263, eine fünfte
Kompensations-Gegenelektrode 1266, eine sechste Kompensations-Gegenelektrode 1270,
eine siebte Kompensations-Gegenelektrode 1273 und eine
achte Kompensations-Gegenelektrode 1276 auf. Außerdem
weist der Beschleunigungssensor 1100 fest mit dem Substrat
verbunden eine dritte Gegenelektrode 1210 und eine vierte
Gegenelektrode 1220 auf. Die dritte Gegenelektrode 1210 ist
kammartig mit vier parallel Zinken ausgebildet. Zwischen den parallel
Zinken der dritten Gegenelektrode 1210 sind in y-Richtung
aufeinanderfolgend die dritte, vierte und fünfte Kompensations-Gegenelektrode 1260, 1263 und 1266 angeordnet.
Die vierte Gegenelektrode 1220 ist bezüglich einer
Spiegelung an einer zur y-Achse parallelen Spiegelebene symmetrisch
zur dritten Gegenelektrode 1210 ausgebildet. Zwischen den
Zinken der vierten Gegenelektrode 1220 sind die sechste,
siebte und achte Kompensations-Gegenelektrode 1270, 1273, 1276 angeordnet.
Zwischen dritter und vierter Gegenelektrode 1210, 1220 verlaufen
wieder parallel zur y-Achse die Wippenzuleitung 180, die
erste Zuleitung 190 und die zweite Zuleitung 195.
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In
z-Richtung oberhalb der dritten, vierten und fünften Kompensations-Gegenelektroden 1260, 1263, 1266 ist
eine dritte Kompensations-Elektrode 1160 angeordnet. In
z-Richtung oberhalb der sechsten, siebten und achten Kompensations-Gegenelektroden 1270, 1273, 1276 ist
eine vierte Kompensations-Elektrode 1165 angeordnet. Die
dritte Kompensations-Elektrode 1160 ist über den
ersten Pfosten 170 mit dem Substrat 110 verbunden.
Die vierte Kompensations-Elektrode 1165 ist über
den zweiten Pfosten 175 mit dem Substrat 110 verbunden.
In z-Richtung oberhalb der dritten Gegenelektrode 1210 und
der vierten Gegenelektrode 1220 ist eine Wippe 1130 angeordnet,
die über die Torsionsfeder 140 und den Wippenpfosten 150 mit
dem Substrat 110 verbunden ist. Die Wippe 1130 weist
eine Zusatzmasse 1135 auf, die bewirkt, dass die Masse
der Wippe 1130 bezüglich der Torsionsfeder 140 asymmetrisch
verteilt ist.
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Die
Kompensations-Elektroden 1160, 1165 und die Wippe 1130 weisen
jeweils kammartige Zinken auf, die miteinander verzahnt sind. Durch
diese Segmentierung der Kompensations-Gegenelektroden 1260, 1263, 1266 und
die entsprechende Segmentierung der Kompensations-Gegenelektroden 1270, 1273, 1276 in
jeweils drei Abschnitte verbessert sich die Kompensationsfähigkeit
des Beschleunigungssensors 1100 bezüglich asymmetrischer
Verbiegungen des Substrats 110 in y-Richtung. In nicht dargestellten
weiteren Ausführungsformen können die auf dem
Substrat fixierten Gegenelektroden und Kompensations-Gegenelektroden
noch weiter segmentiert und miteinander verzahnt werden. Beispielsweise
kann eine Segmentierung der Gegenelektroden auch in x-Richtung erfolgen.
Die Segmentierung der Gegenelektroden kann auch auf ein spezielles
für den Beschleunigungssensor 100, 1100 zu verwendendes
Gehäuse und eine durch dieses Gehäuse bewirkte
Verbiegung des Substrats 110 angepasst werden.
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8 und 9 zeigen
einen Beschleunigungssensor 2100 gemäß einer
dritten Ausführungsform. 9 zeigt
in einem zur x-y-Ebene parallelen Schnitt die fest mit dem Substrat
verbundenen Gegenelektroden des Beschleunigungssensor 2100. 8 zeigt
in einer Aufsicht die in z-Richtung oberhalb der Kompensations-Gegenelektroden 260, 265 angeordneten
Kompensations-Elektroden 160, 165 und die in z-Richtung
oberhalb der Gegenelektroden 210, 215, 220, 225 angeordnete
Wippe 130. Im Unterschied zur Ausführungsform
der 1 bis 3 weist der Beschleunigungssensor 2100 nur
eine Zuleitung 2180 und einen Aufhängpfosten 2150 auf.
Der Aufhängpfosten 2150 verbindet sowohl die erste Kompensations-Elektrode 160,
als auch die zweite Kompensations-Elektrode 165 mit der
Zuleitung 2180. Außerdem verbindet der Aufhängpfosten 2150 die
Wippe 130 über die Torsionsfeder 140 mit
der Zuleitung 2180. Der Beschleunigungssensor 2100 erlaubt
es dadurch lediglich, die Kompensations-Elektroden 160, 165 und
die Wippe 130 auf einem gemeinsamen Potential zu halten.
Dies stellt jedoch in vielen Anwendungsfällen keine Einschränkung
dar. Ein Vorteil der Ausführungsform des Beschleunigungssensors 2100 besteht
in der gemeinsamen Aufhängung über den Aufhängpfosten 2150.
Dadurch wird garantiert, dass sich die Lage der Kompensations-Elektroden 160, 165 im
Falle einer asymmetrischen Verbiegung des Substrats 110 in
z-Richtung relativ zur Lage der Wippe 130 nicht ändert.
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Die
offenbarten Beschleunigungssensoren 100, 1100, 2100 weisen
eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber sich in asymmetrischen
Verbiegungen des Substrats 110 äußernden
Stresseinflüssen auf. Derartige Stresseinflüsse
können beispielsweise durch ein Gehäuse des Beschleunigungssensors 100, 1100, 2100 hervorgerufen
werden. Die reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Stresseinflüssen
erlaubt die Verwendung von Gehäusen, die höhere Stresseinflüsse
auf den Beschleunigungssensor 100, 1100, 2100 ausüben,
dafür aber kostengünstiger sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0773443
B1 [0002]
- - EP 0244581 A1 [0002]