Mikromechanischer kapazitiver Sensor

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen kapazitiven Sensor. Die

Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Sensors.

Stand der Technik

Mikromechanische kapazitive Sensoren (Beschleunigungs-, Drucksensoren, usw.) werden im Normalbetrieb üblicherweise auf einer einzelnen Frequenz betrieben.

Ein mikromechanischer Drucksensor, bei dem eine Druckdifferenz in Abhängigkeit von einer Verformung einer Sensormembran gemessen wird, ist z.B. aus DE 10 2004 006 197 A1 bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, mikromechanischen kapazitiven Sensor bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen kapazitiven Sensor, aufweisend:

eine MEMS-Einrichtung mit einer beweglichen Masseelektrode und einer definierten Anzahl von Ausleseelektroden, die mit der beweglichen Masseelektrode zusammenwirkbar ausgebildet sind, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode zu erfassen; und eine Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, die Masseelektrode mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen anzusteuern und elektrische Ladungen zu erfassen; wobei die erfassten elektrischen Ladungen mit erfassten elektrischen Ladungen eines Kalibrierprozesses vergleichbar sind.

Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Sensors, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen einer MEMS-Einrichtung mit einer beweglichen

Masseelektrode und einer definierten Anzahl von Ausleseelektroden, die mit der beweglichen Masseelektrode zusammenwirkbar ausgebildet werden, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode zu erfassen; und

Bereitstellen einer Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, die Masseelektrode mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen anzusteuern und elektrische Ladungen zu erfassen; wobei die erfassten elektrischen Ladungen mit erfassten elektrischen Ladungen eines Kalibrierprozesses vergleichbar sind.

Auf diese Weise wird mittels eines Betreibens des kapazitiven Sensors mit zwei unterschiedlichen Frequenzen die Tatsache ausgenutzt, dass ein elektrischer Stromfluss aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen des Ansteuersignais permanent erfolgt, wohingegen der Stromfluss aufgrund von kapazitiver

Wechselwirkung der Elektroden einmalig erfolgt. Auf diese Weise kann ein Delta zwischen Kalibrierdaten und Nutzdaten im Feld ermittelt und dadurch ein Effekt eines resistiven Nebenschlusses auf einfache Weise kompensiert werden. Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen kapazitiven Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Eine bevorzugte Weiterbildung des mikromechanischen kapazitiven Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Ansteuereinrichtung ein Ansteuer- Signal mit den wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen einem Schalter zum Schalten einer elektrischen Auslesespannung zuführbar ist. Auf diese Weise kann die Zuführung des Ansteuersignais mit den unterschiedlichen Frequenzen auf einfache Weise elektronisch realisiert werden. Die Zuführung der unterschiedlichen Frequenzen kann beispielsweise mittels eines physikalischen Schalters realisiert werden. Eine Selektion der gerade

verwendeten Frequenz kann z.B. mittels eines elektronischen Steuerungsautomaten durchgeführt werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung des mikromechanischen kapazitiven Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitwert einer Moldmasse derart ist, dass zwischen Verbindungsleitungen der Ausleseelektroden und einer Verbindungsleitung der Masseelektrode zur Ansteuereinrichtung eine definiert geringe Leitfähigkeit und/oder eine möglichst optimale Stressentkopplung realisiert ist. Auf diese Weise ist ein Einfluss der Moldmasse auf ein Messverhalten des Sensors vorteilhaft möglichst gering.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen kapazitiven Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens zwei Frequenzen definiert innerhalb eines definierten Frequenzbands verteilt sind. Auf diese Weise wird das Prinzip der sogenannten spread spectrum clocking realisiert, wodurch unterstützt ist, dass Fehler im System nur lokal auf einige Frequenzen begrenzt ist, wodurch das System Störsignale auf der exakten Arbeitsfrequenz unterdrücken kann.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen kapazitiven Sensors sieht vor, dass ein Offset-Messwert einer Messung mit den beiden

Frequenzen im Sensor hinterlegt ist. Auf diese Weise kann ein Hub eines Messwerts, der bei zwei unterschiedlichen Frequenzen erfasst wurde, gespeichert und im operativen Normalbetrieb des Sensors verwendet werden. Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind. Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen kapazitiven Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Sensors ergeben und umgekehrt.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors;

Fig. 2 ein zeitliches Diagramm zum Erläutern eines Auslesens eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors;

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines resistiven Nebenschlusses eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors;

Fig.4 ein zeitliches Diagramm zum Erläutern eines Auslesens eines vorgeschlagenen mikromechanischen kapazitiven Sensors;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines mikromechanischen kapazitiven Sensors; und

Fig. 6 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines

Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen kapazitiven Sensors.

Beschreibung von Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Schaltbild eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors 100 in Form eines MEMS-Beschleunigungssensors. Man erkennt eine MEMS-Einrichtung 10 mit einer beweglichen Masseelektrode CM, die entlang einer x-Achse beweglich ist. Man erkennt ferner Ausleseelektroden CON, COP, zwischen denen ein Kamm der Masseelektrode CM beweglich ist. Es versteht sich von selbst, dass es sich hierbei nur um eine schematische

Darstellung handelt und dass in der Praxis wesentlich mehr Ausleseelektroden CON, COP vorgesehen sind.

Im Ergebnis wird durch das Bewegen der Masseelektrode CM zwischen den Ausleseelektroden CON, COP die Kapazität zwischen den Ausleseelektroden CON, COP und der Masseelektrode CM beeinflusst und es können elektrische Ladungen über Verbindungsleitungen 12, 13 in Form eines elektrischen Stroms an eine Auswerteschaltung 21 einer Ansteuer- bzw. Auswerteeinrichtung 20 übertragen werden.

Idealerweise bilden die Masseelektrode CM und die Ausleseelektroden CON, COP einen idealen Plattenkondensator, der im Falle eines Beschleunigungssensors von externen Beschleunigungseinflüssen verstimmt wird. Für eine gewöhnliche Beschleunigungsmessung befinden sich die Ausleseelektroden CON, COP auf einem festen elektrischen Potential VBIAS, während das elektrische Potential auf der Masseelektrode CM mit einer mit einer Frequenz f1 alternierenden elektrischen Spannung VCM getaktet wird, wobei der resultierende elektrische Ladungsfluss gemessen und zur Ermittlung eines Beschleunigungswerts ausgewertet wird. Man erkennt zu diesem Zweck innerhalb der

Ansteuereinrichtung 20 eine Antriebsschaltung 22 mit einem Schalter 23, der mit der Frequenz f1 zwischen GND und der elektrischen Spannung VREAD geschaltet wird.

Die beschleunigungsabhängige Ladung pro Messung errechnet sich auf diese Weise nach folgender Beziehung:

Q _ACC = AVCM - AC _ACC (1 ) mit:

QACC ... . elektrische Ladung pro Messung

ÄVCM ... Hub der elektrischen Spannung an der Masseelektrode CM

ÄCACC ... Verstimmung des Sensor-Kondensators

VCM ... elektrische Spannung an der Masseelektrode CM

ÄCACC ... Beschleunigungssignal in Form eines Differenzkapazitätssignals Fig. 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf mit N Lesezyklen zum Auslesen des konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensors 100 von Fig. 1.

Dargestellt sind zeitliche Verläufe von elektrischen Spannungen an den

Ausleseelektroden CON, COP und an der Masseelektrode CM. Im Ergebnis ergibt sich dadurch ein zeitlicher Verlauf Q _A CC der elektrischen Ladung, der proportional zur elektrischen Spannung auf den Ausleseelektroden CON, COP ist. Angedeutet ist, dass während eines Lesezyklus TREAD elektrische Ladungen QACC1 , QACC2, usw. transportiert werden. Typische MEMS-Sensoren haben Empfindlichkeiten im Bereich weniger fF/g, beispielsweise 5 fF/g. Bei dieser Empfindlichkeit wird bei einer Beschleunigung von 1 g und einer elektrischen Spannung VREAD von 1V eine Ladung Q _A CC nach folgender Gleichung transportiert:

Q _ACC = VREAD - l^ = 5 fC (2)

ÄC/g ... . Empfindlichkeit des Sensors auf externe Beschleunigung in g- normiert, wobei gilt: ÄC/g = Δχ/g* ÄC/Δχ

mit:

Δχ/g ... Auslenkungsempfindlichkeit

ÄC/Δχ ... Kapazitätsempfindlichkeit wobei diese Ladungsmenge ca. 30.000 Elektronen entspricht. Aus diesem geringen Signal resultiert eine nachteilig hohe Empfindlichkeit gegenüber resistiven Nebenschlüssen zwischen den Ausleseelektroden CON, COP und der Masseelektrode CM.

Die folgende Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des mikromechanischen kapazitiven Sensors 100 von Fig. 1 , der um einen parasitären resistiven Nebenschluss GL1 L, GL1 R ergänzt ist. Die variablen Kapazitäten sollen andeuten, dass sich die Kapazitätswerte des Sensors 100 bei einer einwirkenden Beschleunigung verstimmen.

Über dem Widerstand bzw. Leitwert GL1 L, GL1 R des Nebenschlusses liegt eine definierte elektrische Spannungsdifferenz: AK GL KREAD - KBIAS (3)

Infolge dieser elektrischen Spannungsdifferenz ÄVGL fließt über den Leitwert GL1 R ein parasitärer elektrischer Strom IGL gemäß folgender Beziehung:

Dieser elektrische Strom IGL verursacht einen parasitären Ladungsfluss auf die Ausleseelektroden CON, COP, welcher bei einem konventionellen mikromechanischen kapazitiven Sensor 100 in seiner Wirkung nicht von einem gewöhnlichen Messsignal QACC unterschieden werden kann.

Die absolut eingebrachte Differenzladung durch den eingebrachten Neben- schluss errechnet sich zu: wobei gilt: ÄIGL = AVGL x (GUL - GUR) (6)

Dieser Rechnung liegt die Annahme zugrunde, dass der Nebenschluss hinreichend hochohmig ist, so dass sich die Ausleseelektroden CON, COP während der Messzeit auf im Wesentlichen konstantem elektrischem Potential befinden.

Ein Übertragungsverhältnis zwischen Wderstand und einem fehlerhaften, ausgelesenen Beschleunigungssignal lässt sich folgendermaßen abschätzen:

OffsetcL ... Offset in g (z.B. 10mg) AGLI . Differenz der beiden Nebenschlussleitwerte, wobei

Gleichtaktsignale per se unterdrückt werden und nur

Differenzsignale bewertet werden

AVGL über dem Sensor anliegende elektrische Spannung

Unter der Annahme eines zulässigen widerstandsbedingten Offsetfehlers von 10mg lässt sich abschätzen, dass der elektrische Widerstand > 50 GQ sein muss, was einen extrem hohen Wert darstellt.

Dabei wird von folgenden verwendeten Parametern ausgegangen:

TREAD = 10 MS, VREAD = 1V, ÄV _GL = 0.5 V

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Bereitstellung eines verbesserten mikromechanischen kapazitiven Sensors, bei dem eine Wrkung eines parasitären resistiven Nebenschlusses im Wesentlichen vollständig kompensiert bzw. eliminiert wird.

Die vorgehend beschriebenen resistiven Nebenschlüsse können durch einen spezifischen mikromechanischen kapazitiven Sensor unterdrückt werden. Dabei werden folgende Zusammenhänge ausgenutzt:

Die in Formel (1) dargestellte elektrische Ladung QACC, welche als Nutzsignal dient, ist lediglich von der elektrischen Auslesespannung VREAD abhängig.

In Formel (5) zeigt das parasitäre Signal QACC.GL eine direkte Abhängigkeit von den elektrischen Spannungen und der Auslesezeit bzw. -frequenz.

Die Signalladung ist mit der Auslesefrequenz im Wesentlichen invariant, wohingegen das parasitäre Signal QACC.GL direkt proportional zur Auslesefrequenz f _RE AD = 1/TREAD ist.

Vorgeschlagen wird daher, dass der mikromechanische kapazitive Sensor 100 zur Unterdrückung des parasitären Nebenschlusswiderstands nicht mehr nur mit einer einzigen Frequenz f1 , sondern alternierend mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 betrieben bzw. ausgelesen wird. Eine Änderung des Beschleunigungsmittelwerts zwischen beiden Auslesefrequenzen f1 , f2 lässt einen direkten Rückschluss auf die parasitäre Komponente der Beschleunigung zu, die dann aus dem Messwert eliminiert wird.

Der parasitäre Offsetwert lässt sich in der elektronischen Ansteuereinrichtung 20 berechnen und dann in geeigneter Form nach folgender Beziehung zu einer Korrektur des Offsets verwenden:

Ojfset _Jetzt Offset _Trimmed + Offset _Parasitar (8) mit:

Offsetjetzt ... . Aktueller Offset

OffsetTrimmed ... Offset nach Abgleich

Offset Parasitär.Gemessen ... Gemessener parasitärer Offset Das vorgeschlagene Messverfahren kann sowohl kontinuierlich während eines normalen Betriebs, periodischen in geeigneten Zeitabständen, oder ausschließlich nach einem Systemstart des mikromechanischen kapazitiven Sensors 100 einmalig durchgeführt werden. Im kontinuierlichen Betrieb des Sensors 100 ist es notwendig, einen geeigneten Algorithmus zu implementieren, um sicherzustellen, dass das Nutzsignal (d.h. eine Änderung einer erfassten Größe, z.B. einer

Beschleunigung) von der Messung nicht beeinflusst wird und vice versa.

Fig. 4 zeigt in einer zeitlichen Sequenz eine Wirkungsweise des

vorgeschlagenen Verfahrens mit N Lesezyklen.

Man erkennt, dass während der gesamten N Lesezyklen eine elektrische

Spannung VBIAS an den Ausleseelektroden CON, C0P angelegt ist. Man erkennt ferner, dass in Messphasen M, in denen die elektrische Spannung VREAD an der Masseelektrode CM anliegt, elektrische Ladungen kontinuierlich in Form eines elektrischen Stroms transportiert werden. In Reset-Phasen R, in denen die elektrische Auslesespannung VREAD der Masseelektrode CM auf GND liegt, wird jeweils ein Reset durchgeführt.

Bedingt durch die wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 , f2 sind die Auslesezyklen TR1 , TR2 unterschiedlich lang, wodurch in den genannten Auslesezyklen unterschiedliche Mengen an Ladungen QACC1 , QACC2 transportiert werden. Diese unterschiedlichen Werte können mit Werten eines Kalibriervorgangs des Sensors in einem Herstellprozess verglichen werden, wodurch auf einen resistiven Nebenschluss geschlossen werden kann. Die genannten Werte des Kalibriervorgangs können beispielsweise im mikromecha- nischen kapazitiven Sensor 100 hinterlegt sein und im operativen Normalbetrieb zur Ermittlung des resistiven Nebenschlusses und dessen Elimination verwendet werden.

Der vorgeschlagene mikromechanische kapazitive Sensor 100 bietet mehrere Vorteile:

Im Feld befindliche Teile, die zum Beispiel durch ein Eindringen von Feuchte in das Package einen resistiven Nebenschluss zur Folge haben, werden nicht mehr als Fehlerteil eingestuft. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine Anzahl von Feuchteausfällen reduziert werden.

Eine Qualität bzw. Art eines Dielektrikums, welches sich zwischen der MEMS- Einrichtung 10 und der Ansteuereinrichtung 20 befindet, kann durch ein eigentlich ungeeignetes, geringfügig resistives Material ersetzt werden, wenn dies anderweitige Vorteile bringt, z.B. hinsichtlich Kosten oder eines Verhaltens bei mechanischem Stress. Zu diesem Zweck wird eine Moldmasse zwischen der MEMS-Einrichtung 10 und der Ansteuereinrichtung 20 angeordnet, die die Verbindungsleitungen 11 , 12, 13 umschließt und eine möglichst geringen resistiven Einfluss und/oder eine optimierte mechanische Stressentkopplung bewirkt.

Wenn die Messung kontinuierlich durchgeführt wird, dann ist die Unterdrückung von Versorgungsspannungsstörungen verbessert, da die Messung nicht mehr auf nur einer einzigen Frequenz durchgeführt wird, sondern auf mehreren. Das zugrunde liegende Prinzip ist als sogenanntes„Spread Spectrum Clocking" an sich bekannt. Es sorgt für eine geringe Ausstrahlung von elektromagnetischen Störungen des mikromechanischen kapazitiven Sensors ins System, erhöht aber auch die eigene Robustheit gegen externe Störungen.

Der Sensor ist vorteilhaft nicht auf mikromechanische kapazitive

Beschleunigungssensoren begrenzt, sondern kann auch allgemein für jedwede mikromechanische kapazitive Sensoren eingesetzt werden, z.B. für Drucksensoren, Feuchtesensoren, Temperatursensoren, usw.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines vorgeschlagenen mikromechanischen kapazitiven Sensors 100. Man erkennt, dass in der Ansteuereinrichtung 20 eine Antriebseinrichtung 22 angeordnet ist, die einen Schalter 25 aufweist, der mit wenigstens zwei unterschiedliche Frequenzen f1 , f2 angesteuert wird. Zur Steuerung des Schalters 25 ist ein digitales Steuerungselement 24 vorgesehen. Das Ausgangssignal des Schalters 25 wird zur Ansteuerung des Schalters 23 zur Schaltung der Auslesespannung VREAD verwendet. Aufgezeichnet wird beispielsweise ein Unterschied eines Beschleunigungswerts bei der ersten Frequenz f1 und der zweiten von f1 unterschiedlichen Frequenz f2, der z.B. 5mg beträgt. Dadurch kann der genannte Unterschied mit einem Kalibrierwert verglichen werden und bei einem Abweichen der Messung im Feld auf einen resistiven Nebenschluss geschlossen werden, der im Normalbetrieb eliminiert wird und dadurch vorteilhaft nicht in Erscheinung tritt. Alternativ kann zur Selektion bzw. Einstellung der Frequenzen f1 , f2 anstelle des Schalters 25 auch ein geeignetes anderes Selektionsmittel verwendet werden (nicht dargestellt).

Fig. 6 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Sensors 100.

In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen einer MEMS-Einrichtung 10 mit einer beweglichen Masseelektrode und einer definierten Anzahl von

Erfassungselektroden durchgeführt, die mit der beweglichen Masseelektrode zusammenwirkbar ausgebildet werden, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode zu erfassen.

In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen einer Ansteuereinrichtung

durchgeführt, die ausgebildet wird, die Masseelektrode mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen anzusteuern und elektrische Ladungen zu erfassen; wobei die erfassten elektrischen Ladungen mit erfassten elektrischen Ladungen eines Kalibrierprozesses vergleichbar sind.

Die Reihenfolge der Schritte 200 und 210 ist vorteilhaft vertauschbar. Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.