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DE102020211924A1 - Sensorbauelement mit einem mikroelektromechanischen z-Inertialsensor und Verfahren zum Ermitteln einer Beschleunigung mithilfe des mikroelektromechanischen z-Inertialsensors - Google Patents

Sensorbauelement mit einem mikroelektromechanischen z-Inertialsensor und Verfahren zum Ermitteln einer Beschleunigung mithilfe des mikroelektromechanischen z-Inertialsensors Download PDF

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DE102020211924A1
DE102020211924A1 DE102020211924.4A DE102020211924A DE102020211924A1 DE 102020211924 A1 DE102020211924 A1 DE 102020211924A1 DE 102020211924 A DE102020211924 A DE 102020211924A DE 102020211924 A1 DE102020211924 A1 DE 102020211924A1
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DE
Germany
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sensor
sensor elements
seismic mass
acceleration
mass structure
Prior art date
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Pending
Application number
DE102020211924.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Martin Rambach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US17/448,246 priority patent/US20220091155A1/en
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Es wird ein Sensorbauelement (300) beschrieben umfassend:- einen mikroelektromechanischen z-Inertialsensor (100) mit zwei auf einem Substrat (101) angeordneten und jeweils in Form einer z-Wippe ausgebildeten Sensorelementen (110, 130), wobei die Sensorelemente (110, 130) jeweils eine mittels einer Torsionsfeder (118, 138) gegenüber dem Substrat (101) elastisch auslenkbaren seismischen Massestruktur (111, 131) mit einer schweren Seite (112, 132) und einer dieser in Bezug auf die Torsionsfeder (118, 138) gegenüberliegend angeordneten leichten Seite (115, 135) aufweisen, und wobei die seismischen Massestruktur (111, 131) der beiden Sensorelemente (110, 130) unterschiedliche Perforationen (113, 116, 133, 136) auf ihren schweren und/oder leichten Seiten (111, 131, 112, 132) aufweisen, die eine unterschiedliche Sensitivität der beiden Sensorelemente (110, 130) gegenüber einem in z-Richtung verlaufenden Temperaturgradienten bewirken, und- eine Auswerteschaltung (200) ausgebildet zum Ermitteln einer Beschleunigung in z-Richtung durch Auswerten der Auslenkung der seismischen Massestruktur (111, 131) der beiden Sensorelemente (110, 120).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorbauelement mit einem mikroelektromechanischen z-Inertialsensor, der eine Kompensation von durch Temperaturgradienten verursachten Messfehlern ermöglicht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ermitteln einer Beschleunigung in z-Richtung mithilfe des mikroelektromechanischen z-Inertialsensors.
  • Stand der Technik
  • Mikroelektromechanische Sensoren (sog. MEMS-Sensoren) dienen der Erfassung unterschiedlicher physikalischer Größen, wie zum Beispiel Druck, Drehrate oder Beschleunigung. Typische MEMS-Sensoren werden dabei in Systemen auf Leiterplatten verbaut, wodurch sich neben Wechselwirkungen zwischen den MEMS-Sensoren und der Leiterplatte auch solche zwischen MEMS-Sensoren und weiteren auf der Leiterplatte angeordneten Bauteilen, wie zum Beispiel Mikrochips, ergeben. So werden in Systemen, wie zum Beispiel dem Smartphone oder dem Kfz, CPU-Chips häufig in der Nähe der MEMS-Sensoren verbaut. Eine besonders enge Anordnung der Komponenten ist insbesondere bei Produkten im sogenannten Consumer Market (z. B. Smartwatches) aufgrund von Platzbeschränkungen (kleines Volumen und geringe laterale Ausdehnung) unvermeidlich. Da CPU-Chips in der Regel mit unterschiedlicher zeitlicher Auslastung betrieben werden, ist auch die von einem solchen Mikrochip erzeugte Abwärme entsprechenden zeitlichen Variationen unterworfen. Dadurch ergeben sich zeitlich veränderliche Temperaturgradienten zwischen dem CPU-Chip und den benachbarten Bauteilen, wie zum Beispiel einem MEMS-Sensor.
  • Besonders markant ist der zeitlich veränderliche Temperaturgradienten bei einem in Form einer z-Wippe ausgebildeten Beschleunigungssensor. Bei diesem Sensortyp führt ein Temperaturgradient senkrecht zur z-Wippe zu unterschiedlicher Ausdehnung des eingeschlossenen Gases oberhalb und unterhalb der z-Wippe in der Kavität. Die unterschiedliche Ausdehnung des eingeschlossenen Gases führt wiederum zu einer Auslenkung der z-Wippe und damit zu einer Änderung der Kapazität der messenden Elektroden, was fälschlicherweise als Beschleunigung interpretiert wird. Somit erzeugt das System ein Beschleunigungssignal, obwohl keine entsprechende Beschleunigung in z-Richtung vorliegt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Messgenauigkeit eines mikroelektromechanischen z-Inertialsensors beim Vorliegen zeitlich variierender Temperaturgradienten zu verbessern. Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Sensorbauelement umfassend einen mikroelektromechanischen z-Inertialsensor mit zwei auf einem Substrat angeordneten jeweils in Form einer z-Wippe ausgebildeten Sensorelementen vorgesehen. Die Sensorelemente weisen jeweils eine mittels einer Torsionsfeder gegenüber dem Substrat elastisch auslenkbare seismische Massestruktur mit einer schweren Seite und einer dieser in Bezug auf die Torsionsfeder gegenüberliegend angeordneten leichten Seite auf. Die seismischen Massestrukturen der beiden Sensorelemente weisen dabei unterschiedliche Perforationen auf ihren schweren und/oder leichten Seiten auf, die ein unterschiedliches Ansprechverhalten der beiden Sensorelemente gegenüber einem in z-Richtung verlaufenden Temperaturgradienten bewirken. Ferner weist das Sensorbauelement eine Auswerteschaltung ausgebildet zum Ermitteln einer Beschleunigung in z-Richtung durch Auswerten der Auslenkung der seismischen Massestrukturen der beiden Sensorelemente auf. Mithilfe eines derart gestalteten Sensorbauelements ist es möglich, das Vorhandensein vertikaler Temperaturgradienten innerhalb des Inertialsensors bei der Messung von Beschleunigungen in z-Richtung zu erkennen. Auf diese Weise lassen sich fehlerhafte Ausgaben des Beschleunigungssensors effektiv vermeiden. Ferner ergibt sich aus der Verwendung von zwei Sensorelementen sowohl eine erhöhte Messgenauigkeit als auch eine bessere Zuverlässigkeit des betreffenden Inertialsensors.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung ausgebildet ist, einen in z-Richtung verlaufenden Temperaturgradienten anhand einer Abweichung der Auslenkungen der seismischen Massestrukturen der beiden Sensorelemente zu bestimmen und zur Korrektur der ermittelten Beschleunigung in z-Richtung zu verwenden. Mithilfe dieser Maßnahme ist es möglich, den Einfluss des vertikalen Temperaturgradienten auf die Beschleunigungswerte quantitativ zu erfassen. Damit kann eine Korrektur der gemessenen Beschleunigung durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit des Inertialsensors deutlich verbessert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die unterschiedlichen Perforationen der betreffenden Seiten der beiden seismischen Massestrukturen durch Löcher mit unterschiedlicher Größe, Form, Anzahl und/oder Anordnung bedingt ist. Hierdurch bieten sich eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten, die eine besonders optimale Anpassung der Sensitivität des betreffenden Sensorelements gegenüber vertikalen Temperaturgradienten erlauben und gleichzeitig ein ausreichende Unterätzung der seismischen Massestrukturen während des Herstellungsverfahrens gewährleisten.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die seismische Massenstruktur des ersten Sensorelements auf wenigstens einer Seite eine durch Löcher mit einer von einem Quadrat abweichenden Form gebildete Perforation aufweist, während die seismische Massestruktur des zweiten Sensorelements auf der betreffenden Seite eine durch quadratische Löcher gebildete Perforation aufweist. Mithilfe quadratischer Löcher lassen sich besonders gute Ergebnisse bei der Unterätzung der seismischen Massestrukturen erzielen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die seismische Massestruktur des zweiten Sensorelements auf der entsprechenden Seite eine durch linienförmige Löcher gebildete Perforation aufweist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen das die beiden Sensorelemente in Bezug auf die Masse und Masseverteilung ihrer seismischen Massestrukturen, die Steifigkeit ihrer Torsionsfedern und die Anordnung entsprechender Elektroden zum kapazitiven Erfassen ihrer Auslenkung im Wesentlichen gleich ausgelegt werden, sodass die beiden Sensorelemente die gleiche Sensitivität in z-Richtung aufweisen. Sofern die beiden Sensorelemente die gleiche Sensitivität gegenüber z- Beschleunigungen und unterschiedliche Sensitivitäten gegenüber vertikalen Temperaturgradienten aufweisen, kann das Modell zur Berechnung eines korrigierten Beschleunigungswerts besonders einfach ausfallen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden Sensorelemente parallel zueinander angeordnet sind, sodass die schweren Seiten ihrer seismischen Massestrukturen auf der gleichen Seite der Torsionsfedern angeordnet sind. Bei dieser Anordnung können die beiden Sensorelemente besonders einfach mit der gleichen Sensitivität gegenüber z-Beschleunigungen hergestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden Sensorelemente Anti-parallel zueinander angeordnet sind, sodass die schweren Seiten ihrer seismischen Massestrukturen aus jeweils gegenüberliegenden Seiten der Torsionsfeder angeordnet sind. Bei dieser Anordnung können innerhalb einer gemeinsamen Kavität auftretende Temperaturgradienten schneller abgebaut werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ferner ein mikroelektromechanischer z-Inertialsensor für das oben genannte Sensorbauelement vorgesehen. Für den mikroelektromechanischen z-Inertialsensor ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Sensorbauelement genannten Vorteile.
  • Schließlich ist gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Ermitteln einer Beschleunigung in z-Richtung mithilfe eines mikroelektromechanischen z-Inertialsensors der zwei in Form einer z-Wippe ausgebildete Sensorelemente mit jeweils einer mittels einer Torsionsfeder elastisch auslenkbaren seismischen Masse umfasst vorgesehen. Die beiden Sensorelemente weisen dabei eine gleiche Sensitivität gegenüber einer Beschleunigung in z-Richtung und eine unterschiedliche Sensitivität gegenüber einem in z-Richtung verlaufenden Temperaturgradienten auf. Das Verfahren umfasst dabei ein separates Erfassen der Auslenkungen der seismischen Massestrukturen der beiden Sensorelemente sowie ein Ermitteln einer Beschleunigung in z-Richtung durch Auswerten der Auslenkungen der seismischen Massestrukturen der beiden Sensorelemente, wobei ein in z-Richtung verlaufender Temperaturgradient anhand einer Abweichung zwischen den Auslenkungen der seismischen Massestrukturen der beiden Sensorelemente ermittelt und zur Korrektur der ermittelten Beschleunigung in z-Richtung verwendet wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
    • 1 schematisch einen Querschnitt durch einen z-Inertialsensor mit einem wippenförmigen Sensorelement mit einer mittels einer Torsionsfeder elastisch aufgehängten seismischen Massestruktur;
    • 2 schematisch eine Draufsicht auf das wippenförmige Sensorelement aus 1;
    • 3 schematisch einen z-Inertialsensor mit zwei wippenförmigen Sensorelemente, die in einer durch ein gemeinsames Gehäuse gebildeten Kavität angeordnet sind, wobei die leichte Seite der seismischen Massestruktur des ersten Sensorelements eine Perforation in Form von linienförmigen Löchern aufweist, während die entsprechende Seite der seismischen Massestruktur des zweiten Sensorelements eine Perforation in Form von quadratischen Löchern aufweist;
    • 4 eine Variation des z-Inertialsensors aus 3, bei dem die wippenförmigen Sensorelemente jedoch in zwei durch eine Trennwand eines gemeinsamen Gehäuses gebildete separate Kavitäten angeordnet sind;
    • 5 eine Variation des z-Inertialsensors aus 3, bei dem die beiden wippenförmigen Sensorelemente jedoch anti-parallel zueinander angeordnet sind;
    • 6 eine Variation des z-Inertialsensor aus 3, bei dem die unterschiedlichen Perforationen jedoch an den leichten Seiten der seismischen Massestruktur der beiden Sensorelemente ausgebildet sind;
    • 7 eine Variation des z-Inertialsensors aus 3, bei dem die Perforation der schweren Seite der seismischen Massestruktur des ersten Sensorelements in Form großer quadratischer Löcher ausgebildet ist;
    • 8 eine Variation des z-Inertialsensor aus 3, bei dem die seismische Massestruktur des ersten Sensorelements auf beiden Seiten durch kreisförmige Löcher gebildet wird; und
    • 9 schematisch den Aufbau eines Sensorbauelements mit einem z-Inertialsensor und einer Auswerteschaltung.
  • Die 1 zeigt einen typischen mikroelektromechanischen z-Inertialsensor mit einem wippenförmigen MEMS-Sensorelement 110. Das in einer durch das Substrat 101 und einem deckelförmigen Sensorgehäuse 120 begrenzten Kavität 121 angeordnete Sensorelement 110 weist eine über eine oder mehrere Torsionsfedern 118 am Substrat verankerte seismische Massestruktur 111 auf, die in der Regel durch Strukturierung einer auf einem Substrat 101 angeordneten Funktionsschicht erzeugt wird. Die seismischen Massestruktur 111 weist eine schwere Seite 112 und eine dieser in Bezug auf die Torsionsfeder 118 gegenüberliegend angeordnete leichte Seite 115 auf. Durch die daraus resultierende asymmetrische Massestrukturverteilung wird beim Vorliegen einer Beschleunigung in z-Richtung eine Auslenkung der Wippe bewirkt. Die Auslenkung der seismischen Massestruktur 111 kann beispielsweise kapazitiv gemessen werden. Hierzu sind in der 1 zwei auf dem Substrat 101 angeordnete Elektroden 150 vorgesehen, dessen elektrisches Potenzial sich bei einer Auslenkung der seismischen Massestruktur 111 aufgrund der kapazitiven Wechselwirkung messbar ändert. Entsprechende Elektroden können auch an anderer Stelle angeordnet sein, beispielsweise oberhalb der seismischen Massestruktur 111, um eine differenzielle Auswertung zu ermöglichen.
  • Wie aus der 1 ferner ersichtlich ist, weist die seismische Massestruktur 111 auf ihren beiden Seiten 112, 115 jeweils eine aus mehreren Löchern 114, 117 gebildete Perforation 113, 116 auf. Die in Form durchgehender Öffnungen ausgebildeten Löcher 114, 117 dienen der Entfernung der Opferschichten während dem Gasphasenätzen zur Herstellung der mikroelektromechanischen Strukturen. Wie aus der in 2 gezeigten Draufsicht auf das wippenförmige Sensorelement 110 ersichtlich ist, sind die Löcher 114, 117 in einem vorzugsweise gleichmäßigen Raster über die seismische Masse 111 verteilt und weisen im vorliegenden Beispiel eine quadratische Form auf. Dabei besteht die Perforation 113 der schweren Seite 112 aus einer etwas geringeren Anzahl von Löchern 114. Grundsätzlich können solche wippenförmigen Sensorelemente 110 auch zusammen mit Strukturen zur Detektion der x- und y- Richtung in einer gemeinsamen Kavität verbaut sein.
  • Die 3 zeigt die Draufsicht auf einen modifizierten z-Inertialsensor 100 mit zwei in einer durch ein gemeinsames Gehäuse 120 gebildeten Kavität 121 untergebrachten und separat betriebenen Sensorelementen 110, 130. Analog zu der in der 2 gezeigten Ausführungsform umfassen die beiden jeweils in Form einer z-Wippe ausgebildeten Sensorelemente 110, 130 jeweils eine über Torsionsfedern 118, 138 elastisch gegenüber dem Substrat 101 aufgehängte seismische Massestruktur 111, 131 mit jeweils einer schweren Seite 112, 132 und einer in Bezug auf die jeweilige Torsionsfeder 118, 138 gegenüberliegend angeordnete leichten Seite 115, 135. Die Torsionsfedern 118, 138 sind im vorliegenden Beispiel jeweils mit der Außenwand des Gehäuses 120 und mit einer mittleren Ankerstruktur 102 verbunden. Die beiden Sensorelemente 110, 130 sind vorzugsweise mit der gleichen elektrischen Sensitivität gegenüber einer Beschleunigung in z-Richtung ausgebildet. Da die elektrische Sensitivität insbesondere durch die Steifigkeit der Torsionsfedern, die Masse der z-Wippe, die Verteilung dieser Masse auf der z-Wippe und den Abständen der Elektroden zu der z-Wippe beeinflusst wird, werden diese Faktoren für beide Sensorelemente 110, 130 vorzugsweise gleich ausgelegt.
  • Im Unterschied zu ihrer elektrischen Sensitivität weisen die beiden Sensorelemente 110, 130 jedoch unterschiedliche Sensitivitäten gegenüber einem vertikalen Temperaturgradienten in der Kavität 121 auf. Um dies zu erreichen, sind die beiden Sensorelemente 110, 31 mit unterschiedlich geformten seismischen Massestrukturen 111, 131 ausgestattet, wobei die unterschiedliche Formgebung vorzugsweise durch unterschiedliche Perforationen wenigstens einer Seite der beiden seismischen Massestrukturen 111, 131 erzielt werden. So resultiert eine unterschiedliche Geometrie, Größe und/oder Anzahl der Löcher 114, 134 in den seismischen Massen 111, 131 typischerweise in einem unterschiedlichen Ansprechverhalten bzw. Sensitivität der beiden Sensorelemente 110, 130 gegenüber vertikalen Temperaturgradienten. Dabei werden Änderungen des vertikalen Temperaturgradienten unter anderem durch Öffnungen 114, 117, 134, 137 in der seismischen Massestruktur 111, 131 beeinflusst, die herstellungsbedingt beim Gasphasenätzen vorhanden sein müssen. Die genaue Geometrie (Schlitz, Quadrat, Rechteck, Kreis, Ellipse etc.) und Anordnung dieser Öffnungen 114, 117, 134, 137 beeinflusst dabei die Stärke der Auslenkung einer z-Wippe beim Vorliegen eines vertikalen Temperaturgradienten. Die beiden Sensorelemente 110, 130 werden daher so ausgelegt, dass die Löcher 114, 117, 134, 137 auf ihren seismischen Massestrukturen 111, 131 unterschiedliche Geometrien aufweisen. Dadurch sind die Einflüsse eines vertikalen Temperaturgradienten auf die beiden z- Wippen 100, 130 unterschiedlich stark ausgeprägt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Massestrukturen 111, 131 auf ihren jeweils leichten Seiten 115, 135 die gleiche Perforation 116, 136 in Form von einer matrixförmigen Anordnung aus quadratisch geformten Löchern 117, 137 auf. Hingegen weisen die schweren Seiten 112, 132 der beiden Massestrukturen 111, 131 jeweils unterschiedliche Perforationen 113, 133 auf, wobei die schwere Seite 112 des ersten Sensorelements 110 insgesamt vier linienförmigen Löcher 114 aufweist, während die schwere Seite 132 des zweiten Sensorelements 130 eine matrixförmige Anordnung quadratischer Löcher 134 aufweist.
  • In der 4 ist eine modifizierte Variante des z-Inertialsensors 100 aus 3 gezeigt, bei der die beiden wippenförmigen Sensorelemente 110, 130 entsprechend dem in 2 gezeigten Fall jeweils in einer eigenen Kavität 121, 141 untergebracht sind. Der z-Inertialsensor 100 weist dabei nur ein Gehäuse 120, 140 auf, wobei die beiden Kavitäten 121, 141 durch eine interne Trennwand 103 voneinander separiert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, die beiden Kavitäten 121, 141 mithilfe zweier separater Gehäuse 120, 140 zu realisieren.
  • In der 5 ist eine weitere Variante des in der 3 gezeigten z-Inertialsensors 100 mit einer anti-parallelen Anordnung der beiden Sensorelemente 110, 130 dargestellt. Dabei ist das erste Sensorelement 110 spiegelbildlich zur Torsionsfeder 118 angeordnet.
  • Die 6 zeigt eine weitere Variante des in der 3 gezeigten z-Inertialsensors 100. Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Fällen sind die unterschiedlichen Perforationen 116, 136 nunmehr auf den leichten Seiten 115, 135 der beiden seismischen Massestrukturen 111, 131 angeordnet.
  • Die 7 zeigt eine weitere Variante des in der 3 gezeigten z-Inertialsensors 100. Im vorliegenden Fall weist die schwere Seite 112 des ersten Sensorelements 110 eine Perforation 113 mit größeren quadratischen Löchern 114 auf.
  • Die 8 zeigt eine weitere Variante des in der 3 gezeigten z-Inertialsensors 100, bei der das erste Sensorelement 110 auf beiden Seiten 112, 115 durch kreisrunde Löcher 114, 117 gebildete Perforationen 113, 116 aufweist. Die Löcher 114, 117 weisen darüber hinaus eine andere Verteilung auf.
  • Die 9 zeigt ein Sensorbauelement 300 umfassend einen z-Inertialsensor 100 mit zwei wippenförmigen Sensorelementen 110, 130. Ferner umfasst das Sensorbauelement 300 eine Auswerteschaltung 200 (ASIC), mithilfe derer eine Auswertung der beiden wippenförmigen Sensorelemente 110, 130 erfolgt. Der z-Inertialsensor 100 und die Auswerteschaltung 200 können dabei, wie hier angedeutet ist, auf einem gemeinsamen Substrat 310 angeordnet und von einem gemeinsamen Gehäuse 310 umgeben sein. Die Auswerteschaltung 200 ist mittels geeigneter Signalleitungen 210 mit dem z-Inertialsensor 100 bzw. mit den Sensorelementen 110, 130 verbunden. Dabei wird jedes Sensorelement 110, 130 vorzugsweise separat ausgewertet. Durch einen Vergleich der Messsignale des ersten Sensorelements 110 mit den Messsignalen des zweiten Sensorelements 130 erfolgt eine Entscheidung, ob bzw. inwieweit es sich um eine tatsächliche Beschleunigung oder um einen vertikalen Temperaturgradienten handelt. Bei Übereinstimmung der Signale der beiden Sensorelemente 110, 130 kann davon ausgegangen werden, dass es sich um eine tatsächliche Beschleunigung handelt. Hingegen kann beim Vorliegen eine Abweichung der Signale der beiden Sensorelemente 110, 130 davon ausgegangen werden, dass ein vertikaler Temperaturgradienten vorliegt. Durch geeignete Auswertungsmethoden kann der Temperaturgradient bzw. sein Einfluss auf die Signale quantifiziert werden und mit diesen Informationen eine Korrektur der gemessenen z-Beschleunigung durchgeführt werden. Alternativ zudem in der 9 gezeigten Beispiel kann auch jedes wippenförmige Sensorelement 110, 130 mit einem eigenen ASIC verbunden sein.
  • In einer alternativen Ausführungsvariante können anstelle von zwei Sensorelementen 110, 130 mit der gleichen elektrischen Sensitivität für z-Beschleunigungen auch zwei Sensorelemente 110, 130 verwendet werden, die sowohl unterschiedliche elektrische Sensitivität für z-Beschleunigungen als auch unterschiedliche Sensitivität gegenüber vertikalen Temperaturgradienten besitzen. Eine Auswertung der Signale und Unterscheidung zwischen einer z-Beschleunigung und einem vertikalen Temperaturgradienten kann in den jeweiligen Auswerteschaltung der einzelnen z-Wippen durch hinterlegte Tabellen, Funktionen oder Modelle berechnet werden, die die Sensitivität gegenüber einer z-Beschleunigung und einem vertikalen Temperaturgradienten abbilden. So kann bei Verwendung von zwei beliebigen wippenförmigen Sensorelementen, deren Signale jeweils getrennt zu einer Auswerteschaltung (ASIC) geführt werden, die - Beschleunigung von der Auswirkung eines vertikalen Temperaturgradienten mittels einem geeigneten Modell herausgerechnet werden. Dabei wird das Modell zur Berechnung umso einfacher, je geringer der Unterschied der elektrischen Sensitivität und je größer der Unterschied der Sensitivität auf vertikale Temperaturgradienten der beiden Sensorelemente ist. Aus diesem Grund stellt der zuvor näher beschriebene z-Inertialsensor, bei dem die beiden Sensorelemente 110, 130 die gleiche elektrische Sensitivität auf z-Beschleunigungen aufweisen, eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dar.
  • Die Perforation der z-Wippen kann durch unterschiedliche geometrische Formen oder verschiedene Kombinationen dieser geometrischen Formen gebildet werden (z.B. Quadrate, Rechtecke, Linien, Kreise, Ellipsen, Vielecke, etc.) Die Auslegung mittels der unterschiedlichen Geometrie der Perforation sollte jedoch vorzugsweise so erfolgen, dass die elektrische Sensitivität zwischen den beiden wippenförmigen Sensorelementen 110, 130 möglichst gleichbleibt und gleichzeitig unterschiedliche Sensitivitäten gegenüber vertikalen Temperaturgradienten erreicht werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

  1. Sensorbauelement (300) umfassend: - einen mikroelektromechanischen z-Inertialsensor (100) mit zwei auf einem Substrat (101) angeordneten und jeweils in Form einer z-Wippe ausgebildeten Sensorelementen (110, 130), wobei die Sensorelemente (110, 130) jeweils eine mittels einer Torsionsfeder (118, 138) gegenüber dem Substrat (101) elastisch auslenkbaren seismischen Massestruktur (111, 131) mit einer schweren Seite (112, 132) und einer dieser in Bezug auf die Torsionsfeder (118, 138) gegenüberliegend angeordneten leichten Seite (115, 135) aufweisen, und wobei die seismischen Massestruktur (111, 131) der beiden Sensorelemente (110, 130) unterschiedliche Perforationen (113, 116, 133, 136) auf ihren schweren und/oder leichten Seiten (111, 131, 112, 132) aufweisen, die eine unterschiedliche Sensitivität der beiden Sensorelemente (110, 130) gegenüber einem in z-Richtung verlaufenden Temperaturgradienten bewirken, und - eine Auswerteschaltung (200) ausgebildet zum Ermitteln einer Beschleunigung in z-Richtung durch Auswerten der Auslenkung der seismischen Massestruktur (111, 131) der beiden Sensorelemente (110, 120).
  2. Sensorbauelement (300) nach Ziffer eins, wobei die Auswerteschaltung (200) ausgebildet ist, einen in z-Richtung verlaufenden Temperaturgradienten anhand einer Abweichung der Auslenkung der seismischen Massestruktur (111, 131) der beiden Sensorelemente (110, 130) zu bestimmen und zur Korrektur der ermittelten Beschleunigung in z-Richtung zu verwenden.
  3. Sensorbauelement (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unterschiedlichen Perforationen (113, 116, 133, 136) der betreffenden Seiten (112, 132, 115, 135) der beiden seismischen Massestrukturen (111, 131) durch Löcher (114, 117, 134, 137) mit unterschiedlicher Größe, Form, Anzahl und/oder Anordnung bedingt ist.
  4. Sensorbauelement (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die seismische Massestruktur (111) des ersten Sensorelements (110) auf wenigstens einer Seite (112, 115) eine durch Löcher (114, 117) mit einer vom Quadrat abweichenden Form gebildete Perforation (113, 116) aufweist, während die seismischen Massestruktur (131) des zweiten Sensorelements (130) auf der betreffenden Seite (132, 135) eine durch quadratische Löcher (134, 137) gebildete Perforation (133, 136) aufweist.
  5. Sensorbauelement (300) nach Anspruch 4, wobei die seismischen Massestruktur (131) des zweiten Sensorelements (130) auf der entsprechenden Seite (132, 135) eine durch linienförmige Löcher (134, 137) gebildete Perforation (133, 136) aufweist.
  6. Sensorbauelement (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beiden Sensorelemente (110, 130) in Bezug auf die Masse und Masseverteilung ihrer seismischen Massestrukturen (111, 131), die Steifigkeit ihrer Torsionsfedern (118, 138) und die Anordnung entsprechender Elektroden (150) zum kapazitiven Erfassen der Auslenkung im Wesentlichen gleich ausgelegt werden, so dass die beiden Sensorelemente (110, 130) die gleiche Sensitivität gegenüber einer Beschleunigung in z-Richtung aufweisen.
  7. Sensorbauelement (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Sensorelemente (110, 130) parallel zueinander angeordnet sind, sodass die schwere Seite (112, 132) ihrer seismischen Massestrukturen (111, 131) jeweils auf der gleichen Seite der Torsionsfedern (118, 138) angeordnet sind.
  8. Sensorbauelement (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Sensorelemente (110, 130) anti-parallel zueinander angeordnet sind, sodass die schweren Seiten (112, 132) ihrer seismischen Massestrukturen (111, 131) auf jeweils gegenüberliegenden Seiten der Torsionsfeder (118, 138) angeordnet sind.
  9. Sensorbauelement (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Sensorelemente (110, 130) in einer gemeinsamen Kavität (121) oder jeweils in einer eigenen Kavität (121, 141) angeordnet sind.
  10. Mikroelektromechanischer z-Inertialsensor (100) für ein mikroelektromechanisches Sensorelement (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Verfahren zum Ermitteln einer Beschleunigung in z-Richtung mithilfe eines mikroelektromechanischen z-Inertialsensors (100), der zwei in Form einer z-Wippe ausgebildete Sensorelemente (110, 130) mit jeweils einer mittels einer Torsionsfeder (118, 138) elastisch auslenkbaren seismischen Massestruktur (111, 131) umfasst, wobei die beiden Sensorelemente (110, 130) eine gleiche Sensitivität gegenüber einer Beschleunigung in z-Richtung und eine unterschiedliche Sensitivität gegenüber einem in z-Richtung verlaufenden Temperaturgradienten aufweisen, umfassend die Schritte: - separates Erfassen der Auslenkungen der seismischen Massestrukturen (111, 131) der beiden Sensorelemente (110, 130), und - Ermitteln einer Beschleunigung in z-Richtung durch Auswerten der Auslenkungen der seismischen Massestrukturen (111, 131) der beiden Sensorelemente (110, 130), wobei ein in z-Richtung verlaufender Temperaturgradient anhand einer Abweichung zwischen den Auslenkungen der seismischen Massestrukturen (111, 131) der beiden Sensorelemente (110, 130) ermittelt und zur Korrektur der ermittelten Beschleunigung in z-Richtung verwendet wird.
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