Mikromechanischer Beschleunigungssensor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleuni- gungssensor, mit einem Substrat, welches eine Verankerungseinrichtung aufweist, und einer Schwungmasse in Form einer Wippe, die eine bezüglich ihrer Torsionsachse asymmetrische Geometrie aufweist und die über eine Biegefedereinrichtung mit der Verankerungseinrichtung verbunden ist, so dass die Schwungmasse durch senkrecht zum Substrat wirkende Beschleunigungen elastisch aus ihrer Ruhelage auslenkbar ist.

Ein derartiger Beschleunigungssensor mit Sensierachse in z-Richtung ist zum Beispiel aus der DE 100 00 368 Al bekannt. Die Wippe des bekannten Sensors weist unterschiedlich lange Hebelarme auf.

Beschleunigungssensoren werden in Fahrzeugen als Crashsensoren zur Erkennung von Seitenaufprallen, Frontcrashs oder auch zur Crashschwere-Erkennung im Frontbereich bereits seit Jahren eingesetzt. Seit etwa einem Jahrzehnt sind beschleunigungsempfindliche oberflächenmikromechanisch hergestellte Sensoren mit Sensierachse in x-Richtung, also parallel zur Chipebene, auf dem Markt, die eine interdigitale Struktur aufweisen. Diese Sensoren umfassen zwei Komponenten, die fingerförmig oder kammartig ineinander greifen. Unter Einwirkung einer Beschleunigung bewegen sich diese Komponenten relativ zueinander, quer zur Chipebene, wobei sie mehr oder weniger ineinander eintauchen. Seit neuerem werden zunehmend auch so genannte "z-Sensoren" eingesetzt, die keine interdigitale Struktur, sondern eine mikromechanisch freigelegte, bewegliche Wippenstruktur aus Polysilizium aufweisen, die eine elastische

Vertikalempfindlichkeit des Sensors, also eine senkrecht zur Chipebene stehende Detektionsrichtung auf Beschleunigung, ermöglicht. Um aus der Auslenkung der Wippe ein elektrisches Signal zu gewinnen, umfasst der Beschleunigungssensor ubli- cherweise eine Differentialkondensatoranordnung, bestehend aus Elektroden, die auf dem Torsionskorper, also der Wippe, angebracht sind, und aus feststehenden Gegenelektroden auf dem Substrat .

Z-Sensoren mit Wippenstruktur setzten eine asymmetrisch an der Torsionsachse aufgehängte Schwungmasse voraus, damit die Beschleunigung, entsprechend dem auf einer Seite der Wippe größeren Gesamtmoment (d. h. Masse mal Momentarm) um die Torsionsachse, asymmetrisch angreifen und die Wippe aus der Ruhelage auslenken kann. Da aus Prozessgrunden eine lokale, einseitige Verdickung der Wippenstruktur kaum zu realisieren ist, wird die asymmetrische Aufhangung heute allgemein so realisiert, dass ein Hebelarm der Wippe langer (und damit auch schwerer) als der gegenüberliegende Hebelarm ausgeführt wird, vgl. Figur 6 der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift . Auf der längeren Seite des Hebelarms resultiert damit auf jeden Fall ein größeres Gesamtmoment.

Beschleunigungssensoren mit Sensierachse in x- oder z-Richtung haben eine mechanische Grenze, bis zu welcher die beweglich angeordnete Finger- bzw. Wippenstruktur ausgelenkt werden kann. Ist diese Grenze (maximal möglicher Auslenkungsbetrag) erreicht, fuhren auch höhere Beschleunigungswerte nicht mehr zu einer änderung des Ausgangssignals des Sensors. Diese Erscheinung wird auch als mechanisches Clipping bezeichnet. Durch das Abschneiden des Signalverlaufs an der Clippinggrenze geht die gesamte Information über den Signalverlauf jenseits der Clippinggrenze verloren .

Die bekannten z-Sensoren schlagen bei einer senkrecht 'von oben' einwirkenden Beschleunigung mit dem Ende des längeren Hebelarms früher, d. h. bei einem kleineren Auslenkbetrag am Substrat an,

als es - auf der anderen Seite der Wippe und bezüglich des Endes des kürzeren Hebelarms - bei einer 'von unten' einwirkenden Beschleunigung der Fall ist, so dass ein asymmetrisches Clipping auftritt .

Dadurch, dass die Clippinggrenzen auf den beiden Seiten der asymmetrischen Wippe nicht gleich groß sind, ergibt sich durch die Integration des durch Clipping beschnittenen Beschleunigungssignals im Vergleich zu einem integrierten unverfälschten Beschleunigungssignal in nachteiliger Weise ein Offset in der aus dem Signal rekonstruierten, den Geschwindigkeitsabbau betreffenden Information. Dieser Offset stellt also ein unerwünschtes Artefakt des asymmetrischen Beschneidungsprozesses dar .

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vermeidet diesen Nachteil dadurch, dass die auf einer Seite der Wippe und in einer Ebene mit der restlichen Schwungmasse angeordnete notwendige Zusatzmasse, trotz der asymmetrischen Geometrie nicht zu einem asymmetrischen, 'früheren' Anschlagen einer Seite der Wippe auf das Substrat führt. Während dies bei unterschiedlich langen Hebelarmen der Wippe dadurch erreicht wird, dass auf der Seite des kürzeren Hebelarms eine die mögliche Auslenkung verkürzende Anschlagseinrichtung vorgesehen ist, ist im Falle gleich langer Hebelarme an einem Hebelarm mindestens eine seitlich angeordnete Zusatzmasse vorgesehen, so dass in beiden Fällen die maximal mögliche mechanische Auslenkung der Schwungmasse auf beiden Seiten der asymmetrischen Wippe gleich groß ist. Auf Grund der erfindungsgemäßen Auslegung resultiert demnach eine Wippenstruktur, deren asymmetrische Geometrie nicht mehr zu einem asymmetrischen Clipping führen kann.

Besonders in fertigungstechnischer Hinsicht ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit gleich langen Hebelarmen der insbesondere aus Polysilizium herstellbaren Wippenstruktur

vorteilhaft, die an einem der Hebelarme seitlich anzuordnende Zusatzmasse als Querarm des Hebelarms auszubilden.

Diese Ausführungsform kann vorteilhaft dadurch weitergebildeten werden, dass der Hebelarm auf beiden Seiten Querarme aufweist, die einander symmetrisch gegenüberliegen. Dabei ergibt sich eine fertigungstechnisch und hinsichtlich der sensormechanischen Funktion als besonders bevorzugt geltende Ausgestaltung dadurch, dass der Hebelarm mit zwei gegenüberliegenden Querarmen aus- gebildet ist, die sich jeweils über seine gesamte Länge erstrecken. Der mit der Zusatzmasse versehene Hebelarm hat bei dieser Ausgestaltung insgesamt ungefähr die Form eines Querbalkens .

Bei der anderen, durch unterschiedlich lange Hebelarme gekennzeichneten erfindungsgemäßen Alternative erweist es sich als vorteilhaft, dass die Anschlagseinrichtung einen fest auf dem Substrat gelagerten Anschlagspunkt aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur Ia zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erste, eine Wippenstruktur mit unterschiedlich langen Hebelarmen aufweisende Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit Anschlagseinrichtung,

Figur 2a zeigt, in gleicher Darstellung, eine zweite Ausführungsform, bei der eine Wippenstruktur mit gleich langen Hebelarmen vorgesehen ist,

Figuren Ib und 2b zeigen die erste bzw. zweite Ausführungsform jeweils in Seitenansicht.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur Ia und Ib zeigen eine mikromechanisch freigelegte, bewegliche Wippe 1 eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssen-

sors, die aus Polysilizium besteht und gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung einen kürzeren Hebelarm 2 und einen längeren Hebelarm 3 aufweist. Die Wippenstruktur 1 ist über zwei Torsionsfedern 4 an einer Verankerungseinrichtung 5 aufgehängt, die selbst wiederum auf dem Substrat 6 verankert ist. In den Figuren sind die parallel zum Substrat 6 verlaufenden x-y-Koordinatenachsen sowie die senkrecht dazu verlaufende z-Richtung durch Pfeile definiert. Der längere Hebelarm weist einen Durchbruch 7 auf, der in an sich bekannter Weise zu den gewünschten Dämpfungseigenschaften des Feder-Masse-Systems 1, 4 beiträgt . Bei dieser ersten Ausführungsform bildet der rechts vom Durchbruch 7 gelegene Teil des längeren Hebelarms 3 die Zusatzmasse, die erforderlich ist, um eine auf einer asymmetrischen Geometrie beruhende asymmetrische Anordnung der Schwungmasse des Sensors um die Torsionsachse (Torsions- bzw. Biegefedern 4) zu realisieren .

Wie aus Figur Ib zu erkennen ist, würde - ohne die weiteren, erfindungsgemäßen Maßnahmen - der längere Hebelarm 3 bei einer von oben (d. h. in negativer z-Richtung) einwirkenden Beschleunigung auf Grund seiner Länge bei einem kleineren Auslenkungsbetrag (Winkel) am Substrat 6 anschlagen als der kürzere Hebelarm 2 bei einer von unten (d. h. in positiver z-Richtung) einwirkenden Beschleunigung. Dies würde in der eingangs be- schriebenen Weise zu einem unerwünschten, asymmetrischen

Clipping führen. Erfindungsgemäß ist deshalb ein unterhalb des kürzeren Hebelarms 2 angeordneter, fest auf dem Substrat 6 gelagerter Anschlagspunkt 8 vorgesehen, der die maximal mögliche Auslenkung auf dieser Seite der Wippe 1 auf den gleichen Auslenkungsbetrag begrenzt, der - auf der anderen Seite der Wippe 1 - dem längeren Hebelarm 3 möglich ist. (Schichtdicken und andere geometrische Merkmale, etwa die Höhe und Form des hier nur beispielhaft buckeiförmig dargestellten Anschlagspunktes 8, sind in den Figuren 1 und 2 nicht maßstabsgetreu dargestellt.) Der Anschlagspunkt 8 kann beispielsweise durch eine Materialerhöhung als integrierter Bestandteil des Substrats 6 her-

gestellt, oder extern hergestellt und nachtraglich an der vorgesehenen Stelle angebracht werden.

Figur 2 zeigt eine Wippenstruktur 1, bei der trotz gleich langer Hebelarme 9 und 10 durch seitlich am Hebelarm 10 angebrachte Zusatzmassen 11 eine asymmetrisch aufgehängte Schwungmasse realisiert ist. Durch die gleich langen Hebelarme 9 und 10 ist gleichzeitig gewahrleistet, dass keiner der Hebelarme 9 oder 10 'früher' anschlagt als der andere, so dass sich nur ein - als unproblematisch angesehenes - symmetrisches Clipping ergibt. Wenn, wie in Figur 2 dargestellt, der Hebelarm 10 mit zwei symmetrisch gegenüberliegenden Querarmen (Zusatzmassen 11) ausgebildet ist, die sich jeweils über seine gesamte Lange erstrecken, ist es gunstig, den Hebelarm 10 im Bereich des übergangs zu den Querarmen 11 jeweils mit einem länglichen, parallel zum Hebelarm 10 verlaufenden Durchbruch 12 zu versehen.

Die Erfindung ist im übrigen nicht auf Ausfuhrungen beschrankt, bei denen die Wippenstruktur 1, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, an einer 'inneren' Verankerung 5 aufgehängt ist. Ebenso in Frage kommen Ausfuhrungen, bei denen die Wippenstruktur 1 in einem äußeren Rahmen aufgehängt ist.