Titel

Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Sensiereinrichtung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung.

Stand der Technik

MEMS- (engl, micro-electromechanical-sytems) basierte kapazitive Initialsensoren, wie beispielsweise Beschleunigungsaufnehmer, Gyroskope und Drucksensoren werden heutzutage insbesondere in KFZ-Anwendungen (z.B. in Airbags, Antiblockiersystemen, elektronischen Stabilitätsprogrammen, usw.) und im Con- sumer-Bereich (z.B. Spiele, Mobiletelefone, Navigationssysteme, usw.) vielfach eingesetzt. Der Sensor-Offset ist dabei einer der wichtigsten Sensorparameter, der normalerweise während einer Sensorkalibrierung ermittelt wird. Der Sensor- Offset hat einen großen Einfluss auf andere Sensorparameter, wobei einer dieser Parameter die Vibrationsrobustheit ist, welche insbesondere in Anwendungen des KFZ-Bereichs eine große Bedeutung hat, da die Sensoren oftmals mit Beschleunigungswerten beaufschlagt werden, die nicht in ihrem Messbereich liegen.

Die Vibrationsrobustheit ist abhängig von verschiedenen Faktoren. In kapazitiven Beschleunigungsaufnehmern haben viele Sensorparameter (wie z.B. der Sensoroffset, parasitäre Kapazitäten, Übertragungsfunktion, usw.) einen großen Einfluss auf die Vibrationsrobustheit und damit das gesamte Sensorsystem.

DE 10 2006 049 960 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen eines Offsets eines mikromechanischen Sensorelements, bei dem ein Offset(fehler) gezielt derart eingestellt wird, indem ein Ruhewert eines Aus- gangssignals auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Auf diese Weise kann ein Ausgangssignal des Sensorelements beeinflusst werden.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit einem verbesserten Betriebsverhalten bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung, aufweisend: eine entlang einer Sensierrichtung bewegliche seismische Masse; und

- wenigstens ein orthogonal zur Sensierrichtung an einer Seite der seismischen Masse angeordnetes Sensierelement; gekennzeichnet durch

- wenigstens jeweils eine orthogonal zum Sensierelement an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse angeordnete Kammelektrode;

- wobei an die wenigstens zwei Kammelektroden jeweils eine konstante elektrische Kompensationsspannung zum Kompensieren eines mechanischen Offsets des Sensierelements anlegbar ist.

Aufgrund der Tatsache, dass die verwendete Kammelektrode keine Variation der Kraftwirkung in Abhängigkeit vom Abstand kennt, können vorteilhaft keinerlei Schnappeffekte wie bei Plattenkondensatoren auftreten. Dadurch wird vorteilhaft ein Offsetfehler im Wesentlichen dauerhaft beseitigt und eine Vibrationsrobust- heit des Sensors erhöht. Auf Detektionseigenschaften des Sensors hat die verwendete Kompensation des Offsets vorteilhaft keinerlei Einfluss. Das Sensierelement ist bei einer fehlenden externen Beschleunigung im Wesentlichen stets in der exakten Ruhelage, wodurch die Sensorvorrichtung sehr linear arbeiten kann. Symmetrische Arbeitsbedingungen werden für den Sensor in der Signalkette somit vorteilhaft früh bereitgestellt.

Die Erfindung wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer Sensiereinrichtung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung, aufweisend:

Ermitteln eines mechanischen Offsets eines Sensierelements einer seismischen Masse der Sensiereinrichtung; - wenigstens einmaliges Anlegen einer im Wesentlichen konstanten elektrischen Kompensationsspannung an wenigstens eine von zwei jeweils an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse entlang einer Sensierrichtung angeordneten Kammelektroden;

- wobei mittels der durch die Kompensationsspannung bewirkten elektrostatischen Kraft das Sensierelement in eine Nullpunktslage gestellt wird.

Die Erfindung wird ferner gelöst mit einer Verwendung von Verwendung von Kammelektroden zum Kompensieren eines Offsets einer mikromechanischen Sensorvorrichtung, wobei eine elektrische Kompensationsspannung wenigstens einmal an Kammelektroden einer seismischen Masse einer Sensiereinrichtung angelegt wird und über die Betriebsdauer der Sensorvorrichtung angelegt bleibt.

Auf diese Weise wird die Nullpunktslage der Sensiereinrichtung mechanisch eingestellt. Vorteilhaft kann dies ein oder auch mehrmals durchgeführt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensierinrichtung sieht vor, dass an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse jeweils mehrere Kammelektroden angeordnet sind. Dadurch kann vorteilhaft eine Einstelleigenschaft der Sensorvorrichtung verbessert werden, weil auf individuelle Erfordernisse bestmöglich eingegangen wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kammelektroden außerhalb oder innerhalb der seismischen Masse angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine großer Gestaltungs- und Dimensionierungsspielraum für die Sensiereinrichtung unterstützt, wobei bei einer Anordnung innerhalb der Sensiereinrichtung eine Bauform vorteilhaft minimiert ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine der Kompensationsspannungen an jeweils eine Kammelektrode an einer Seitenfläche der seismischen Masse oder wobei beide Kompensationsspannungen an Kammelektroden an unterschiedlichen Seitenflächen der seismischen Masse im Wesentlichen gleichzeitig anlegbar sind. Dadurch werden in vorteilhafter Weise mehrere Betriebsarten für die Sensiereinrichtung unterstützt, wobei die Prinzipien des einseitigen (engl, single-sided-driving) und zweiseitigen (engl, double-sided-driving) Betreibens ermöglicht sind.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung sehen vor, dass die Sensiereinrichtung in lateral oder vertikal sensierenden Sensorvorrichtungen verwendbar ist. Dadurch ist vorteilhaft ein großer Anwendungsspielraum für die erfindungsgemäße Sensiereinrichtung unterstützt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kompensationsspannung während der Betriebsdauer der Sensorvor- richtung angelegt bleibt. Vorteilhaft resultiert dies in effizient durchzuführenden singulären Justier- bzw. Kompensationsvorgängen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kompensationsspannung Änderungen des Offsets des Sensierelements berücksichtigt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Temperaturgang des

Offsets bzw. der Nullpunktsabweichung berücksichtigt werden. Somit können Arbeitsbedingungen für eine Auswerteschaltung der Sensorvorrichtung erleichtert werden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass über die Betriebsdauer der Sensorvorrichtung ermittelt wird, wie groß der Offset ist und die Kompensationsspannungen entsprechend nachgestellt werden. Dies erlaubt vorteilhaft ein mehrmaliges Durchführen des Verfahrens, wobei jeweils nur eine geringfügige Korrektur der Kompensationsspannung er- forderlich ist.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegen- stand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren dienen vor allem zu einer Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise der Erfindung und sind nicht dazu gedacht, dass ihnen konkrete Schaltungsdetails oder Grössen- abmessungen entnommen werden können.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung mit einer

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Sensiereinrichtung;

Fig. 3 ein Detail einer Kammelektrode in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung; und

Fig. 6 eine prinzipielle Darstellung eines Ablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Ein Sensorsignal kann einen Offsetfehler aufweisen. Dieser kann einen Wech- selspannungsterm aufweisen, welcher unter realen Betriebsbedingungen aufgrund von Vibrationen generiert wird. Ein Gleichspannungsterm des Offsetfehlers enthält im Wesentlichen zwei Anteile: einen internen Offset, der vom Sensor selbst stammt (wie zum Beispiel der Raw-Offset, Chip-Montierfehler) und ein externer Gleichspannungseingang, welcher das echte Beschleunigungssignal darstellt. Der interne Anteil sollte korrigiert werden und der externe Anteil sollte korrekt gemessen werden können. Normalerweise ist das reale Signal in einem Niedrig-G Beschleunigungssensor (z.B. mit einem typischen Detektionsbereich von ca. 5G) viel kleiner als der auftretende Sensoroffset. Daher ist es im Prinzip möglich, den Gleichspannungs- term zu reduzieren, wobei der Offsetfehler aufgrund von Vibrationen minimiert werden kann. Ein möglicher Weg dazu besteht darin, den Offset einzustellen. Eine der zu diesem Zweck eingesetzten Methoden ist die Verwendung einer Closed-Loop Kraft Rückkopplung, d.h. die Beaufschlagung mit einer Rückkopplungskraft, die aufgebracht wird, um den Sensor in einer Nullposition zu halten. Sensoren, die dieses Prinzip verwenden, sind sehr präzise. Allerdings benötigt ein derartiges System stabile und rauscharme Rückkopplungsspannungen. Daher ist ein dynamischer Sensierbereich durch die maximal erreichbare stabile Rückkopplungsspannung begrenzt. Außerdem sind derartige Sensoren sehr kostspielig.

Ein anderes bekanntes Konzept um die Offsetfehler zu reduzieren, ist eine Kompensation von parasitären Kapazitäten zwischen Bonddrähten unter Verwendung von Schaltern, die von Steuersignalen angesteuert werden. Unter Verwendung dieses Prinzips, können Offsetsehler reduziert werden, die durch das Laden der genannten parasitären Kapazitäten induziert werden, beispielsweise durch Abstandsänderungen oder das Dielektrikum zwischen den Bonddrähten als Folge von Temperaturänderungen und Alterungseffekten. Allerdings berücksichtigt dieses Verfahren nicht den internen Sensoroffset. Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines elektronischen Systems für einen MEMS- basierten kapazitiven Beschleunigungssensor 200 mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung 100 mit Kammelektroden 30. Im Prinzip wird sowohl ein Offset (mechanische Nullpunktsabweichung) eines Sensier- elements 20 als auch ein Sensiersignal unter Anwendung des ÄC oder ÄC/^C Prinzips zunächst in eine elektrische Spannung konvertiert, gefolgt von einer

Analog-zu-Digital Konversion und Tiefpassfilterung. Das gemessene Offsetsignal wird zu einer Berechnung der erforderlichen elektrischen Kompensationsspannung benutzt, welche auf wenigstens eine der Kammelektroden 30 auf der C1 - Seite („oben") oder C2-Seite („unten") angelegt wird, um den Sensoroffset zu kompensieren. Es ist dabei möglich, eine der beiden elektrischen Kompensationsspannungen V1 , V2 lediglich auf einer Seite anzulegen, wodurch das Sensierelement 20 in eine Richtung gezogen wird. Bei Anlegen der anderen Kompensationsspannung V1 , V2 auf der anderen Seite wird das Sensierelement 20 sodann in die andere Richtung gezogen. Es ist ferner auch möglich, die Kompensationsspannungen V1 , V2 auf beiden Seiten anzulegen und dadurch das Sensierelement 20 in die Nullpunktslage zu bringen. In diesem Fall wirkt die Differenz der Kompensationsspannungen V1 , V2 auf die Kammelektroden 30 der seismischen Masse 10.

In Fig. 1 zeigt also ein prinzipielles Blockdiagramm einer Ausführungsform der er- findungsgemäßen Sensiereinrichtung 100 für eine mikromechanische Sensorvorrichtung 200. Man erkennt die Sensiereinrichtung 100, an der das Sensierelement 20 an einer seismischen Masse 10 (nicht dargestellt) angeordnet ist, wobei das Sensierelement 20 zum Erfassen einer Inertial-Messgröße (z.B. Beschleunigung, Drehrate) dient. Das Sensierelement 20 kann zum Beispiel als ei- ne kapazitive, eine induktive oder als eine optische Elektrode ausgebildet sein.

An einer Oberseite bzw. einer Unterseite einer seismischen Masse 10 der Sensiereinrichtung 100 ist wenigstens eine Kammelektrode 30 angeordnet, an die eine elektrische Kompensationsspannung V1 , V2 angelegt wird.

Vorgesehen ist ein Kapazitäts-Spannungs-Umsetzer 40, der Kapazitätsänderungen der Sensierelemente 20 der Sensiereinrichtung 100 in elektrische Spannungen umsetzt. Dem Kapazitäts-Spannungs-Umsetzer 40 nachgeschaltet ist ein Analog-Digital-Umsetzer 50, dem ein Tiefpass 60 nachgeschaltet ist, der die elektrische Ausgangsspannung V _aus liefert. Die Ausgangsspannung V _aus wird in einem Rückkopplungszweig einem Digital-Analog-Umsetzer 70 zugeführt, der einen Offsetspannungserzeuger 80 ansteuert, der für die Sensiereinrichtung 100 die Kompensationsspannung V bereitstellt. Mittels der Kompensationsspannung V wird das Sensierelement 20 auf einen mechanischen Nullpunkt eingestellt. Dies wird durch eine aufgrund der Kompensationsspannung V generierte elektrostatische Kraft auf das Sensierelement 20 bewirkt, die das Sensierelement 20 in die mechanische Nullpunkts- bzw. Ruhelage bewegt und dort permanent hält, aufgrund der Tatsache, dass die Kompensationsspannung V während der gesamten Betriebsdauer der Sensorvorrichtung 200 permanent angelegt bleibt. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die genannte Kompensationsspannung jeweils einmalig angelegt wird und danach angelegt bleibt. Denkbar ist aber auch, dass die Nullpunktsabweichung (z.B. durch einen Temperaturgang, Alterungseffekt, usw.) während der Betriebsdauer der Sensorvorrichtung 200 in regelmäßigen Abständen neu ermittelt und danach erneut eingestellt wird. Vorteilhaft sind die daraus resultierenden Nullpunktseinstellungen jeweils nur sehr geringfügig.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensier- einrichtung 100. Man erkennt an zwei Seitenflächen der seismischen Masse 10 angeordnete Sensierelektroden 20. In Sensierrichtungen R der seismischen Masse 10 sind an einer Oberseite und einer Unterseite der seismischen Masse 10 jeweils zwei Kammelektroden 30 angeordnet, an die jeweils eine elektrische Kompensationsspannung V1 bzw. V2 angelegt wird. Auf diese Weise wird auf die seismische Masse 10 eine elektrostatische Kraftwirkung entlang den Ermittlungsrichtungen R ausgeübt, wodurch die seismische Masse 10 in die Nullpunktslage versetzt wird.

Die genannten Kompensationsspannungen V1 , V2 werden vorzugsweise während eines Fertigungsprozesses in einer Kalibrierungsphase der Sensorvorrichtung einmalig ermittelt und angelegt um dann während der gesamten Betriebsdauer der Sensiereinrichtung 100 angelegt zu bleiben. Denkbar ist natürlich auch, dass zur Kompensation des Offsets lediglich eine einzige Kompensationsspannung V1 , V2 an eine der Kammelektroden 30 an einer Seitenfläche der seismischen Masse 10 angelegt wird.

Fig. 3 zeigt einen einzelnen Finger 32 und eine Gabel 31 einer Kammelektrode

30 in einer dreidimensionalen Darstellung. Erkennbar sind die Erfassungsrichtungen R des Sensierelements 20, wobei der Finger 32 in einen von der Gabel

31 begrenzten Kraftwirkungsbereich eintauchen kann. Ein geometrischer Seitenabstand des Fingers 32 von der Gabel 31 beträgt d1 , eine geometrische Tiefenabmessung des Fingers 32 beträgt d2. Auf diese Weise ergibt sich eine laterale Kraft F _x zwischen dem Finger 32 und der Gabel 31 der Kammelektrode 30 gemäß folgender mathematischer Beziehung: Mit den Parametern:

F _x laterale Kraft

N Anzahl der Finger

εθ Permittivität im Vakuum

ε relative Permittivität

d2 Dicke des Fingers

d1 Spalt zwischen Gabel und Finger

V angelegte elektrische Spannung

Üblicherweise wird die Kraft F _x noch unter Verwendung einer Konstante korrigiert. Bei einer konstanten elektrischen Spannung V ist die elektrostatische Kraft unabhängig von der Fingerauslenkung und bleibt im Wesentlichen stets konstant.

Daher ist bei Verwendung einer Kammelektrode 30 eine Closed-Loop- Konfiguration für das Sensierelement 20, an welches die Kompensationsspannungen V1 , V2 ebenfalls angelegt werden könnte, um eine Offsetkorrektur durchzuführen, nicht erforderlich. Obendrein kann es in nachteiliger weise bei der Verwendung des Sensierelements 20 als Korrekturelektrode leicht zum so genannten Schnappeffekt kommen, bei dem eine Haltespannung nicht mehr ausreicht, um eine Elektrode in einer definierten Lage zu halten. Ein Sensier- verhalten einer derartigen Sensorvorrichtung wäre nachteiligerweise sehr beeinträchtigt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensier- einrichtung 100. Es ist erkennbar, dass die Sensiereinrichtung 100 nunmehr als eine vertikale Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, wobei die Kammelektroden 30 nunmehr seitlich an der seismischen Masse 10 angeordnet sind. Die Sensier- elemente 20 zum Erfassen der Beschleunigung sind in Fig. 4 nicht dargestellt. Erkennbar ist eine an der Rückseite der seismischen Masse 10 angeordnete Feder 33, die dazu dient, die seismische Masse 10 zu stabilisieren. Im Prinzip wird die Konfiguration von Fig. 4 also lediglich für andere Sensierrichtungen R verwendet als jene von Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine weitere Konfiguration der erfindungsgemäßen Sensiereinrichtung 100. Man erkennt, dass in dieser Konfiguration die Kammelektroden 30 innerhalb der seismischen Masse 10 angeordnet sind, was den Vorteil bietet, dass räumliche Verhältnisse der Sensorvorrichtung 200 bestmöglich ausgenutzt werden und die Sensiereinrichtung 100 möglichst raumsparend ausgebildet ist. Die asymmetrische Ausgestaltung der seismischen Masse 10 dient zur Bereit- Stellung einer definierten Rückstell kraft der Feder 33.

Die Kammelektroden 30 können auf einer Oxid- oder Nitritschicht des Substrats ausgebildet werden, wobei die elektrische Verbindung für die Kammelektroden 30 mittels einer vergrabenen, hochleitenden Siliziumschicht realisiert werden können.

Fig. 6 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird ein Ermitteln eines mechanischen Offsets einer seismischen Masse 10 der Sensiereinrichtung 100 durchgeführt.

In einem zweiten Schritt S2 wird wenigstens einmalig eine konstante elektrische Kompensationsspannung V1 ,V2 an wenigstens zwei an gegenüberliegenden Seitenflächen der seismischen Masse 10 entlang einer Sensierrichtung angeordnete Kammelektroden 30 angelegt.

Schließlich wird in einem dritten Schritt S3 mittels der durch die Kompensationsspannung V1 ,V2 bewirkten elektrostatischen Kraft die Sensiereinrichtung 100 in eine Nullpunktslage gestellt.

Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte

Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung bereitgestellt. Vorteilhaft hat die Kompensation der Nullpunktsabweichung mittels einer an Kammelektroden angelegten elektrischen Kompensationsspannung keinerlei Ein- fluss auf das Sensierverhalten des mikromechanischen Sensors. Aufgrund der

Tatsache, dass bei Kammelektroden die generierte Kraft unabhängig von der Auslenkung der Elektrodenfinger stets konstant ist, ist ein lineares Betriebsverhalten der Sensorvorrichtung unterstützt, wodurch vorteilhaft symmetrische Arbeitsbedingungen für den Sensor realisiert. Aufgrund des jeweils einmaligen Vorgangs des Ausgleichens der Nullpunktsabweichung kann eine Linearität des

Betriebsverhaltens der Sensorvorrichtung bedeutsam verbessert werden. Das erfindungsgemäße Prinzip des Verwendens einer Kammelektrode zum Kompensieren eines Offsets kann vorteilhaft nicht nur für kapazitive Beschleunigungssensoren, sondern auch für andere kapazitive MEMS-Sensoren verwendet werden, wie z.B. für Gyro- oder Drucksensoren.

Vorteilhaft können die Kammelektroden nach individuellen Erfordernissen der Sensorvorrichtung dimensioniert und quantifiziert werden, wodurch beispielsweise unter Berücksichtigung der auf den Sensor einwirkenden Beschleunigungskräfte viele kurze, oder wenige lange Kammelektroden vorgesehen sein können.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird also auch Ausführungsformen realisieren, die vorgehend nur teilweise oder nicht offenbart sind, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.