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Title:
PIEZORESISTIVE MICROMECHANICAL SENSOR COMPONENT AND CORRESPONDING MEASURING METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/113625
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a piezoresistive micromechanical sensor component and to a corresponding measuring method. The piezoresistive micromechanical sensor component comprises: a substrate (1); a seismic mass (3) which is suspended from the substrate such that it can be deflected; at least one piezoresistive bar (1a, 1b; 1a', 1b') which is provided between the substrate and the seismic mass and is subject to a change in resistance when the seismic mass is deflected; wherein the piezoresistive bar has a lateral and/or upper and/or lower conductor track (2a, 2b; 2a', 2b') which at least partially covers the piezoresistive bar and extends into the region of the substrate; and a measuring device (M1; M2; M1'; M1'') which is electrically connected to the substrate and to the conductor track and is designed to measure the change in resistance over a circuit path which runs from the substrate through the piezoresistive bar and from the piezoresistive bar through the lateral and/or upper and/or lower conductor track.

Inventors:
NEUL, Reinhard (Pilsener Str. 21, Stuttgart, 70567, DE)
RETTIG, Christian (Grabenstr. 49, Eningen U.A., 72800, DE)
TRAUTMANN, Achim (Stuttgarter Str. 12, Leonberg, 71229, DE)
MEISEL, Daniel Christoph (Goethestr. 9, Vaihingen An Der Enz, 71665, DE)
BUHMANN, Alexander (Fleckenweinberg 36, Stuttgart, 70192, DE)
ENGESSER, Manuel (Winzerkellerstr. 8, Buehl, 77815, DE)
FEYH, Ando (742 Encina Grande Drive, Palo Alto, CA, 94306, US)
Application Number:
EP2011/050641
Publication Date:
September 22, 2011
Filing Date:
January 19, 2011
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
NEUL, Reinhard (Pilsener Str. 21, Stuttgart, 70567, DE)
RETTIG, Christian (Grabenstr. 49, Eningen U.A., 72800, DE)
TRAUTMANN, Achim (Stuttgarter Str. 12, Leonberg, 71229, DE)
MEISEL, Daniel Christoph (Goethestr. 9, Vaihingen An Der Enz, 71665, DE)
BUHMANN, Alexander (Fleckenweinberg 36, Stuttgart, 70192, DE)
ENGESSER, Manuel (Winzerkellerstr. 8, Buehl, 77815, DE)
FEYH, Ando (742 Encina Grande Drive, Palo Alto, CA, 94306, US)
International Classes:
G01P15/08; G01P15/12
Foreign References:
US4776924A
US5395802A
US20070022814A1
Other References:
SHUSEN HUANG: AUS J. MICROMECH. MICROENG., Bd. 15, 2005, Seiten 993-1000, XP20091557, in der Anmeldung erwähnt
SHUSEN HUANG AUS J. MICROMECH. MICROENG. Bd. 15, 2005, Seiten 993 - 1000
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
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Claims:
R.331014

WO 2011/113625 PCT/EP2011/050641

- 10 -

Ansprüche

1. Piezoresistives mikromechanisches Sensorbauelement mit: einem Substrat (1); einer am Substrat (1) auslenkbar aufgehängten seismischen Masse (3); mindestens einem zwischen dem Substrat (1) und der seismischen Masse (3) vorgesehenen piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b'), der bei einer Auslenkung der seismischen Masse (3) einer Widerstandsänderung unterliegt; wobei der piezoresistive Balken (1a, 1b; 1a', 1b') eine seitliche und/oder ober- und/oder unterseitige Leiterbahn (2a, 2b; 2a', 2b') aufweist, welche den piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') zumindest teilweise überdeckt und welche sich bis in den Bereich des Substrats (1) erstreckt; und einer Messeinrichtung (M1; M2; Μ1'; M1"), welche an das Substrat (1) und an die Leiterbahn (2a, 2b; 2a', 2b') elektrisch angeschlossen ist und zum Messen der Widerstandsänderung über einen Schaltungspfad, der vom Substrat (1) durch den piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') und vom piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') durch die seitliche und/oder ober- und/oder unterseitige Leiterbahn (2a, 2b; 2a', 2b') verläuft, ausgestaltet ist.

2. Sensorbauelement nach Anspruch 1 , wobei die seismische Masse (3) über den piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') am Substrat (1) aufgehängt ist.

3. Sensorbauelement nach Anspruch 1 , wobei die seismische Masse (3) über einen Verbindungsbalken (7) am Substrat (1) aufgehängt ist und der piezoresistive Balken (1a, 1b; 1a', 1b') zwischen dem Verbindungsbalken (7) und dem Substrat (1) vorgesehen ist. R.331014

WO 2011/113625 PCT/EP2011/050641

- 11 -

4. Sensorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen dem sich in den Bereich des Substrats (1) erstreckenden Bereich der Leiterbahn (2a, 2b; 2a', 2b') und dem Substrat (1) eine elektrische Isolationsschicht (I) vorgesehen ist. 5. Sensorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Substrat (1) und der seismischen Masse (3) mehrere piezoresistive Balken (1a, 1b; 1a', 1b') vorgesehen sind, die jeweils eine oberseitige Leiterbahn (2a, 2b; 2a', 2b') aufweisen, welche den zugehörigen piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') zumindest teilweise überdeckt und welche sich bis in den Bereich des Substrats (1) erstreckt, wobei die Messeinrichtung (M1; M2; MV; M1"), welche an das Substrat (1) und an die Leiterbahnen (2a, 2b; 2a', 2b') elektrisch angeschlossen ist, zum Messen der Widerstandsänderung über einen jeweiligen Schaltungspfad, der vom Substrat (1) durch den jeweiligen piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') und vom jeweiligen piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') durch die zugehörige oberseitige Leiterbahn (2a, 2b; 2a', 2b') verläuft, ausgestaltet ist.

6. Sensorbauelement nach Anspruch 5, wobei die Messeinrichtung (M1; M2; Μ1'; M1") derart ausgestaltet ist, dass sie die Widerstandsänderungen der mehreren piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') separat auswertet. 7. Sensorbauelement nach Anspruch 5, wobei die Messeinrichtung (M1; M2; Μ1'; M1") derart gestaltet ist, dass sie die Widerstandsänderungen der mehreren piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') kombiniert in einer Halbbrückenschaltungsanordnung oder einer Vollbrü- ckenschaltungsanordnung (Μ1') auswertet. 8. Sensorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (M1 ; M2; Μ1'; M1") derart gestaltet ist, dass sie die Widerstandsänderung des oder der piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') in einer Stromspiegelschaltungsanordnung (M1") mit Sigma-Delta-Modulation auswertet. 9. Sensorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) einen Graben (11a) zur galvanischen Trennung des Schaltungspfades durch zwei benachbarte piezoresistive Balken (1a, 1b; 1a', 1b') aufweist.

10. Sensorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahn (2a, 2b; 2a', 2b') eine aus einer Metallisierungsschicht strukturierte Metall-Leiterbahn ist. R.331014

WO 2011/113625 PCT/EP2011/050641

- 12 -

11. Sensorbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere gekoppelte seismische Massen (3) vorgesehen sind. 12. Messverfahren zum Ermitteln von Auslenkungen einer an einem Substrat (1 ) auslenkbar aufgehängten seismischen Masse (3) über Widerstandsänderungen eines zwischen dem Substrat (1) und der seismischen Masse (3) vorgesehenen piezoresistiven Balkens (1a, 1b; 1a', 1b'), der bei den Auslenkungen der seismischen Masse (3) den Widerstandsänderungen unterliegt, mit den Schritten:

Anlegen eines Schaltungspfades, der vom Substrat (1) durch den piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') und vom piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') durch eine seitliche und/oder ober- und/oder unterseitige Leiterbahn (2a, 2b; 2a', 2b') verläuft, welche den piezoresistiven Balken (1a, 1b; 1a', 1b') zumindest teilweise überdeckt und welche sich bis in den Bereich des Substrats (1) erstreckt; und

Auswerten von den Widerstandsänderungen über eine mit dem Schaltungspfad verbundene Messeinrichtung (M1; M2; M1'; M1") zum Ermitteln der Auslenkungen der seismischen Masse (3).

13. Messverfahren nach Anspruch 12, wobei die Widerstandsänderungen mehrerer zwischen dem Substrat (1) und der seismischen Masse (3) vorgesehener piezoresistiver Balken (1a, 1b; 1a', 1b') über die Messeinrichtung (M1; M2; Μ1'; M1") separat ausgewertet wird. 14. Messverfahren nach Anspruch 12, wobei die Widerstandsänderungen mehrerer zwischen dem Substrat (1) und der seismischen Masse (3) vorgesehener piezoresistiver Balken (1a, 1b; 1a', 1b') über die Messeinrichtung (M1; M2; Μ1'; M1") kombiniert in einer Halbbrückenschaltungsanordnung oder einer Vollbrückenschaltungsanordnung (Μ1') ausgewertet werden.

15. Messverfahren nach Anspruch 12, wobei die Widerstandsänderungen eines oder mehrerer piezoresistive Balken (1a, 1b; 1a', 1b') über die Messeinrichtung (M1; M2; Μ1'; M1") in einer Stromspiegelschaltungsanordnung (M1") mit Sigma-Delta-Modulation ausgewertet werden.

Description:
Beschreibung

Titel

Piezoresistives mikromechanisches Sensorbauelement und entsprechendes Messverfahren

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoresistives mikromechanisches Sensorbauelement und entsprechendes Messverfahren.

Obwohl auf beliebige piezoresistive mikromechanische Sensorbauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf einen piezoresistiven mikromechanischen Beschleunigungssensor erläutert. Heutige Beschleunigungssensoren werden üblicherweise kapazitiv ausgewertet. Die ebenfalls praktizierte piezoresistive Auswertung bietet allerdings ein größeres Potential im Hinblick auf die angestrebte immer weiter gehende Miniaturisierung. Prinzipiell kann bei piezo- resistiv ausgewerteten Beschleunigungssensoren, hier als piezoresistive Beschleunigungssensoren bezeichnet, zwischen folgenden beiden Varianten unterschieden werden.

Eine Variante besteht in einer strukturierten Dotierung, wobei Piezowiderstande an den Stellen auf einem Biegebalken eindotiert werden, an denen die maximale mechanische Spannung bei Auslenkung auftritt. Die andere Variante besteht in einer homogenen Dotierung, wobei der gesamte homogen dotierte Biegebalken zur Auswertung herangezogen wird. Dazu wird eine homogen verteilte mechanische Spannung im Balken benötigt. Da bei der homogenen Dotierung der gesamte Biegebalken zur Auswertung genutzt wird, bietet die homogene Dotierung Vorteile mit Hinblick auf die Miniaturisierung. Aus J. Micromech. Microeng. 15 (2005), Seiten 993 - 1000 (Shusen Huang et al.) ist ein piezoresistiver mikromechanischer Beschleunigungssensor mit homogen dotierten Biegebalken bekannt. Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht dieses bekannten piezoresistiven mikromechanischen Beschleunigungssensors.

In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat, auf dem eine Opferoxidschicht S1 und eine Deckschicht S2 vorgesehen sind. Herausstrukturiert aus der Deckschicht S2 ist eine seismische Masse 3, welche über einen undotierten Biegebalken B an dem Substrat 1 verankert ist. An der Spitze der seismischen Masse 3 ist ein Anschlag 30 vorgesehen, welcher die seismische Masse 3 vor zu großen Auslenkungen schützt. Unter der seismischen Masse 3 und dem Biegebalken B liegt eine Kavität K. Neben dem Biegebalken B ist die seismische Masse 3 über zwei homogen dotierte piezore- sistive Balken PR1 , PR2 mit dem Substrat verbunden. Zur Erfassung einer Widerstandsänderung der piezoresistiven Balken PR1 , PR2 bei Auslenkung der seismischen Masse 3 in der Substratebene sind Metallisierungsbereiche M1 , M2, M3, M4, M5 vorgesehen, welche derart mit dem piezoresistiven Balken PR1 , PR2 verschaltet sind, dass sie eine Halbbrü- ckenauswertung ermöglichen.

Zur Signalrückführung von der seismischen Masse 3 zum Substrat 1 wird in dieser Schaltungsanordnung unverzichtbar der Biegebalken B zusätzlich zu den piezoresistiven Balken PR1 , PR2 benötigt. Der zusätzliche Biegebalken B verringert allerdings die mechanische Sensitivität und/oder erhöht den Prozessaufwand hinsichtlich der benötigten Gräben, wenn ansonsten von gleichen Anforderungen ausgegangen wird. Insbesondere wird zwischen den Balken PR1 , B, PR2 eine möglichst schmale Grabenisolation (STI) benötigt, die einen erhöhten Prozessaufwand bedeutet. Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße piezoresistive mikromechanische Sensorbauelement nach

Anspruch 1 und das entsprechende Messverfahren nach Anspruch 1 1 weisen gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass ein vereinfachter kosten- günstigerer Aufbau ermöglicht wird, der eine weitergehende Miniaturisierung ermöglicht.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee liegt in der Verwendung einer struktu- rierten Leiterbahnschicht, z. B. einer metallischen Schicht, zur elektrischen Rückführung des Messsignals auf der Oberseite des bzw. der piezoresistiven Balken.

Auch die elektrische Auswertung bei dem erfindungsgemäßen piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement ist mit verschiedenen Vorteilen verbunden. Die auf der Oberseite der piezoresistiven Balken vorgesehene Leiterbahn bzw. Rückleitung stellt im Vergleich zu einer Rückleitung im dotierten Balken einen geringeren parasitären Widerstand dar. Die Widerstandsänderung kann in jedem piezoresistivem Balken separat ausgewertet werden. Dies ermöglicht eine stromlose Spannungsmessung (3-Punkt- und 4-Punkt-Messung), wodurch parasitäre Leitungswiderstände das Messergebnis nicht verfälschen. Eine galvanische Tren- nung ermöglicht eine vereinfachte differenzielle Auswerteschaltung auf Basis von Stromspiegeln. Ein derartiges Auswerteverfahren ist unempfindlich gegenüber Parametervariationen in den Schaltungen.

Als technologischer Vorteil kann angeführt werden, dass der Isolationsgraben zwischen den Balken bei gleichbleibender Empfindlichkeit breiter ausgeführt werden kann. Dies erleichtert die technologische Realisierung von piezoresistiven Beschleunigungssensoren, die auf homogener Dotierung beruhen.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die seismische Masse über den bzw. die piezoresistiven Balken am Substrat aufgehängt. Dies bringt den Vorteil, dass die gesamte mechanische Aufhängungskonstruktion zur Detektion bzw. Auswertung verwendet werden kann. Es ermöglicht eine höhere mechanische Sensitivität bzw. einen Flächengewinn aufgrund einer möglichen kleineren seismischen Masse.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die seismische Masse über einen Verbindungsbalken am Substrat aufgehängt, wobei der piezoresistive Balken zwischen dem Verbindungsbalken und dem Substrat vorgesehen ist. Dies erhöht die Designfreiheit erheblich.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es illustrieren:

Fig. 1 eine Draufsicht eines piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig 2a-c Querschnitte des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelement in Form einer mikromechanischen Beschleunigungssensoranordnung gemäß Fig. 1 entlang der Linien ΑΑ', BB' und CC;

Fig. 3 eine Draufsicht eines piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine erste Messeinrichtung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform eines Messverfahrens unter Verwendung des erfindungsgemäßen piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements;

Fig. 5 eine zweite Messeinrichtung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform eines Messverfahrens unter Verwendung des erfindungsgemäßen piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements; und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines bekannten piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen Beschleunigungssensoranordnung. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.

Fig. 1 ist eine Draufsicht eines piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen Beschleunigungssensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig 2a-c sind Querschnitte des piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikrome- chanischen Beschleunigungssensoranordnung gemäß Fig. 1 entlang der Linien AA, ΒΒ' und CC.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 5 einen piezoresistiven mikromechanischen Beschleunigungssensor. Ausgehend vom Substrat 1 erstrecken sich zwei homogen dotierte piezore- sistive Balken 1 a, 1 b zur seismischen Masse 3, welche somit über diese Balken 1 a, 1 b an das Substrat 1 angebunden ist. Unter den Balken 1 a, 1 a und der seismischen Masse 3 befindet sich eine Kavität K.

Der Isolationsgraben G zwischen den piezoresistiven Balken 1 a, 1 b kann auch als schmaler Isolationsgraben (STI) ausgeführt werden. Dadurch können die Balken 1 a, 1 b näher am Rotationspunkt angebracht werden, was eine Verstärkung der Hebelwirkung mit sich bringt.

Eine auf den Schwerpunkt 6 der seismischen Masse 3 einwirkende Beschleunigung in der x- y-Ebene (Substratebene) führt zu einer Stauchung des Balkens 1 a und zu einer Dehnung des Balkens 1 b bzw. umgekehrt. Die homogene piezoresistive Dotierung der Balken 1 a, 1 b führt dabei zu einer Änderung deren elektrischen Widerstandes. Diese Widerstandsänderung kann über Messeinrichtungen M1 , M2 detektiert werden, welche den jeweiligen momentanen Widerstand der Balken 1 a, 1 b der mit R1 a bzw. R1 b bezeichnet ist, erfassen. Diese erfasste Widerstandsänderung ist somit ein Maß für die Auslenkung der seismischen Masse 3 aus ihrer Gleichgewichtsposition.

Bei der vorliegenden Ausführungsform geschieht diese Erfassung für die beiden piezoresistiven Balken 1 a, 1 b separat, wozu ein Isolationsgraben 1 1 a zur galvanischen Trennung im Substrat 1 vorgesehen ist. Es ist weiterhin auch zu beachten, dass die beiden galvanisch getrennten Hälften des Substrats 1 mechanisch an das darunter liegende Substrat 1 angebunden sein müßen, aber elektrisch getrennt (z.B. mittels einer galvanisch isolierenden Opferschicht unterhalb des gesamten Sensors. Dabei muss beim Ätzen die Opferschicht unterhalb der Masse und Bal- ken entfernt werden und unterhalb des Substrats 1 stehen bleiben.

Zur Erfassung der Widerstandsänderung liegt eine Reihenschaltung des Substrats 1 mit dem jeweiligen Balken 1 a bzw. 1 b und einer auf der Oberseite der Balken 1 a, 1 b vorgesehenen jeweiligen Leiterbahn 2a, 2b vor. Die Leiterbahnen 2a, 2b bedecken die Oberseite teilweise bzw. ganz und sind bei diesem Beispiel aus einer Metallschicht strukturiert. Insbesondere erstreckt sich die jeweilige Leiterbahn 2a, 2b bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgehend von der seismischen Masse 3 über dem gesamten Balken 1 a, 1 b bis in den Bereich des Substrats 1. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses mit dem Substrat 1 befindet sich unter den Leiterbahnen 2a, 2b im Bereich des Substrats 1 eine elektrische Isolationsschicht zwi- sehen den Leiterbahnen 2a, 2b und dem Substrat 1. Ebenfalls vorgesehen ist die Isolationsschicht I zwischen den Leiterbahnen 2a, 2b und den Balken 1 a, 1 b bis auf einen jeweiligen Kontaktbereich K, wo die Leiterbahnen 2a, 2b die Balken 1 a, 1 b elektrisch kontaktieren. Diese Isolationsschicht I ist insbesondere in Fig. 2b und 2c verdeutlicht. Die Messeinrichtungen M1 bzw. M2 sind über Leitungsbereiche L1 , L2 und einen Kontakt K1 einerseits mit dem Substrat und andererseits über Leitungen L3 bzw. L4 und Kontakte K3 bzw. Kontakte K4 mit den Leiterbahnen 2a, 2b verbunden.

Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel eine separate Auswertung der Widerstandsände- rungen der Widerstände R1 a, R1 b der piezoresistiven Balken 1 a, 1 b vorgesehen ist, können die Balken 1 a, 1 b auch gemeinsam ausgewertet werden, beispielsweise in einer Halbbrückenschaltung analog Fig. 6, wie oben erläutert. Auch ist es möglich, lediglich einen einzigen piezoresistiven Balken vorzusehen, wenn die notwendigen Stabilitätskriterien dadurch erfüllt werden können.

Ferner ist es möglich, mehrere Rückführungen auf einem einzelnen piezoresistiven Balken vorzusehen, welche separat ausgewertet werden. Fig. 3 ist eine Draufsicht eines piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements in Form einer mikromechanischen Beschleunigungssensoranordnung 5 ' gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform ist ein undotierter Biegebalken 7 vorgesehen, der die seismische Masse 3 mit dem Substrat 1 verbindet. Hier sind die homogen dotierten piezoresistiven Balken 1 a', 1 b' nicht zwischen dem Substrat 1 und der seismischen Masse 3 vorgesehen, sondern zwischen dem Substrat 1 und diesem Biegebalken 7. Eine derartige Ausgestaltung, wobei die piezoresistiven Balken 1 a', 1 b' unter einem Winkel α (hier: 90°) zu dem Biegebalken 7 angebracht sind, ermöglicht eine höhere Geometriefreiheit, beispielsweise eine veränderte Länge der Balken 1 a, 1 b bei gleichbleibendem Abstand zwischen dem Schwerpunkt 6 der seismischen Masse 3 und dem Aufhängungspunkt am Substrat 1 (Hebelarmlänge). Selbstverständlich ist der Winkel α nicht auf 90° beschränkt, sondern kann frei variiert werden. Auch müssen die Balken 1 a', 1 b' nicht denselben Winkel α ausweisen.

Die auf den piezoresistiven Balken 1 a', 1 b' vorgesehenen Leiterbahnen 2a', 2b' sind genauso wie bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 strukturiert und ermöglichen die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Auswertung der Widerstandsänderung der piezoresistiven Balken 1 a', 1 b'. Wie beim ersten Beispiel ist die Isolationsschicht I vorgesehen zwischen den Leiterbahnen 2a', 2b' und den Balken 1 a', 1 b' bzw. dem Substrat 1 bis auf einen jeweiligen Kontaktbereich K', wo die Leiterbahnen 2a', 2b' die Balken 1 a', 1 b' elektrisch kontaktieren.

Fig. 4 ist eine erste Messeinrichtung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform eines Messverfahrens unter Verwendung des erfindungsgemäßen piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements. Die in Fig. 4 dargestellte Messeinrichtung M1 ' beruht auf einer Vollbrückenverschaltung von vier piezoresistiven Balken 1 a, 1 b, 1 c, 1 d, welche über Verbindungsknoten J1 , J2, J3, J4 paarweise parallel zwischen ein Versorgungspotential U 0 und ein Referenzpotential REF geschaltet sind. Der Abgriff zur Erfassung der Widerstandsänderung erfolgt an den Verbindungsknoten J3, J4 und liefert bekannterweise Spannungswerte U+ und LI., welche ein direk- tes Maß für die Widerstandsänderung bei Auslenkung der seismischen Masse 3 sind. Die vier piezoresistiven Balken 1 a, 1 b, 1 c, 1 d können entweder an einer einzigen seismischen Masse 3 vorgesehen sein, oder aber über zwei nebeneinander liegende Beschleunigungssensoren realisiert werden, wobei gegebenenfalls auch die zugehörigen beiden seis- mischen Massen mechanisch miteinander gekoppelt werden können.

Fig. 5 ist eine zweite Messeinrichtung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform eines Messverfahrens unter Verwendung des erfindungsgemäßen piezoresistiven mikromechanischen Sensorbauelements.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Messeinrichtung M1 " handelt es sich um eine Stromspiegelschal- tungsanordnung mit Sigma-Delta-Modulation. Ein Differenzverstärker 10, an den eine Referenzspannung VREF angelegt ist, sorgt dafür, dass die über dem piezoresistiven Balken 1 a abfallende Spannung stets gleich der Referenzspannung V RE F ist. Dies geschieht durch ent- sprechende Ansteuerung eines Transistors T1 , welcher zusammen mit einem weiteren Transistor T2 in Serie zum piezoresistiven Balken 1 a geschaltet ist. Der Stromfluss I durch den piezoresistiven Balken 1 a erfolgt ausgehend von einer Versorgungsspannungsquelle V B D über den Transistor T2 und den Transistor T1 durch den piezoresistiven Balken 1 a zu einer Bezugsspannungsquelle V ss (üblicherweise Massepotential). Der in diesem Zweig auftreten- de Strom ändert sich mit der Widerstandsänderung des piezoresistiven Balkens 1 a aufgrund der Auslenkung der mit ihm verbundenen seismischen Masse 3.

Einen weiteren Zweig bilden die in Reihe geschalteten Transistoren T3, T5 und die in Reihe geschalteten Transistoren T4 und T6, wobei diese jeweils als Stromspiegel geschaltet sind, sodass ein positiver Stromwert , der durch den piezoresistiven Balken 1 a fließt, durch den Transistor T4 fließt und ein negativer Strom , der durch den piezoresistiven Balken 1 a fließt, durch den Transistor T6 fließt, wenn ein jeweiliger zugehöriger steuerbarer Schalter C bzw. C geschlossen ist. Eine Logikeinrichtung L steuert alternierend das Schließen der Schalter C, C, wobei beim Schließen ein jeweiliger Stromfluss in einem Integrator 20 aufintegriert wird, dessen Mittelwert null ist. Das Tastverhältnis der Schalter C, C repräsentiert dann den durch den piezoresistiven Balken fließenden Strom I, welcher als Ausgangssignal OUT(I) von der Messeinrichtung M1 " geliefert wird. Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auch in anderer

Weise ausführbar. Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die Leiterbahnen 1 a, 1 b bzw. 1 a', 1 b' aus einer Metallschicht strukturiert. Allerdings ist es durchaus möglich, diese Balken auch durch hochdotierte Halbleiterschichten oder sonstige Leiterbahnschichten zu bilden.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf piezoresistive mikromechanische Beschleu- nigungssensoren erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auch für andere piezoresistive mikromechanische Bauelemente anwendbar, wie z. B. Drehratensensoren, Drucksensoren, usw.

Neben dem dargestellten Beschleunigungssensor mit Erfassungsrichtung in der x-y-Ebene kann das erfindungsgemäße piezoresistive mikromechanische Sensorbauelement auch zur Detektion in z-Richtung verwendet werden. Dabei stellt die Leiterbahn 2a, 2b eine unsymmetrische Versteifung dar, die bei einer einwirkenden z-Beschleunigung zu einer homogenen mechanischen Spannung in den Balken 1 a, 1 b führt. In diesem Fall ist die mechanische Spannung in den Balken 1 a, 1 b gleichgerichtet. Dadurch lässt sich ein z- Beschleunigungssensor mit nur einem Balken und einer metallischen Leiterbahn zur Rückführung realisieren.

Prinzipiell lässt sich sogar ein xyz- Sensorbauelement durch eine oder mehrere seitliche und eine oder mehrere ober- und/oder unterseitige Leiterbahnen realisieren.