Sensor und Verfahren zur Herstellung eines Sensors

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Sensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2006 026 880 A1 ein mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einer in z- Richtung auslenkbaren Schwungmasse in Form einer Wippe bekannt, wobei zur Vermeidung von asymmetrischem Clipping, bei unterschiedlich langen Hebelarmen der Wippe auf der Seite des kürzeren Hebelarms eine die mögliche Auslenkung verkürzende Anschlagseinrichtung vorgesehen ist. Nachteilig an dieser Anordnung zur Verkürzung der möglichen Auslenkung der Schwungmasse in z-Richtung ist, dass durch eine einseitige elektrostatische Wechselwirkung zwischen der Schwungmasse und der Anschlagseinrichtung das Verhalten der Schwungmasse beeinflusst wird. Ferner geht aus der Druckschrift DE 198 00 574 A1 ein Beschleunigungssensor mit einem Kappenwafer zur Abdeckung einer mikromechanischen Struktur des Beschleunigungssensors hervor.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass einerseits die Auslenkung der seismischen Masse durch den ersten und zweiten Anschlag begrenzt wird und andererseits das Verhalten der seismischen Masse durch den ersten und den zweiten Anschlag nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird. Darüberhinaus ist der erfindungsgemäße Sensor vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar, da aufgrund der Ausbildung des ersten und des zweiten Anschlags als Teil der Kappe zur Anordnung des ersten und zweiten Anschlags lediglich die Kappe auf dem Substrat angeordnet werden muss. Ferner werden beim erfindungsgemäßen Sensor die Fertigungstoleranzen insbesondere bei der Positionierung der Kappe auf dem R. 324821 2

Substrat parallel zur Haupterstreckungsebene erheblich erhöht. Dies wird dadurch erreicht, dass der erste und der zweite Überdeckungsbereich im Wesentlichen gleich groß sind, so dass insbesondere bei einem elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlag über die restliche Kappe eine erste elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem ersten Bereich und dem ersten Anschlag gleich einer zweiten elektrostatischen Wechselwirkung zwischen dem zweiten Bereich und einem zweiten Anschlag ist. Somit kompensieren sich die ersten und zweiten elektrostatischen Wechselwirkungen auf die seismische Masse und es wirkt kein oder nur ein unwesentliches resultierendes Drehmoment auf die seismische Masse mit einer Drehachse parallel zur Haupterstreckungsebene. Der erste und der zweite Anschlag werden mittels der Kappe insbesondere derart auf dem Substrat angeordnet, dass sich bei einer Verschiebung der Kappe relativ zum Substrat parallel zur Haupterstreckungsebene die Größe des ersten Überdeckungsbereichs gleich der Größe des zweiten Übergangsbereichs verändert und somit die Kappe weniger genau auf dem Substrat positioniert werden muss, aber dennoch eine Kompensation zwischen der ersten und der zweiten elektrostatischen Wechselwirkung erzielt wird. Insbesondere eine Messung einer Beschleunigung senkrecht zur Haupterstreckungsebene, d.h. in z-Richtung, wird durch den ersten und den zweiten Anschlag nicht oder nur unwesentlich beeinflusst. Ferner wird beispielsweise auch eine Messung einer Beschleunigung parallel zur

Haupterstreckungsebene, d.h. in x- und/oder y-Richtung, durch den ersten und zweiten Anschlag nicht oder nur unwesentlich beeinflusst, da die erste und zweite elektrostatische Wechselwirkung höchstens eine gleichmäßige Kraftwirkung auf die seismische Masse in z-Richtung haben und somit eine Verkippung der seismischen Masse um die Drehachse parallel zur Haupterstreckungsebene verhindert wird, wobei durch eine derartige Verkippung insbesondere die Gefahr einer Verlagerung des Massenschwerpunktes der seismischen Masse in x- und/oder y-Richtung und somit einer Verfälschung der Messung bestünde.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den

Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen. R. 324821 3

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die seismische Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen zwischen dem Substrat und der Kappe angeordnet ist, so dass in vorteilhafter Weise die seismische Masse auf der einen Seite durch das Substrat und auf der anderen Seite durch die Kappe geschützt wird. Vorzugsweise sind zwischen der seismischen Masse und dem Substrat Elektroden auf dem Substrat und entsprechenden Gegenelektroden an der seismischen Masse angeordnet, so dass eine Auslenkung der seismischen Masse relativ zum Substrat und senkrecht zur Haupterstreckungsebene eine Veränderung der elektrischen Kapazität zwischen Elektroden und Gegenelektroden verursacht und somit quantifizierbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die seismische Masse als Wippenstruktur ausgebildet ist, wobei eine Schwenkachse der Wippenstruktur parallel zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist. Besonders bevorzugt weist die seismische Masse bezüglich der Schwenkachse eine asymmetrische Massenverteilung auf, so dass eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene wirkende Beschleunigungskraft ein Drehmoment auf die seismische Masse um die Schwenkachse bewirkt, wobei eine erste Auslenkung vorzugsweise eine Drehung in einer ersten Drehrichtung um die Schwenkachse herum und eine zweite Auslenkung eine Drehung in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung um die Schwenkachse herum umfasst. Der erste Anschlag begrenzt in vorteilhafter Weise eine maximale erste Auslenkung, während der zweite Anschlag eine maximale zweite Auslenkung begrenzt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die seismische Masse eine erste seismische Teilmasse und eine zweite seismische Teilmasse umfasst, wobei die erste seismische Teilmasse den ersten Bereich und die zweite seismische Teilmasse den zweiten Bereich aufweist, wobei die erste und die zweite seismische Teilmasse vorzugsweise durch Stege miteinander verbunden sind. Besonders vorteilhaft ist somit in vergleichsweise einfacher und raumsparender Weise eine Wippenstruktur mit asymmetrischer Massenverteilung gegenüber der Schwenkachse realisierbar, wobei die erste seismische Teilmasse eine Masse ungleich der zweiten seismischen Teilmasse aufweist oder wobei der R. 324821 4

Massenschwerpunkt der ersten seismischen Teilmasse einen Abstand zur Schwenkachse aufweist, welcher ungleich dem Abstand des Massenschwerpunktes der zweiten seismischen Teilmassen von der Schwenkachse ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Bereich einen ersten Randbereich der ersten seismischen Teilmasse und der zweite Bereich einen zweiten Randbereich der zweiten seismischen Teilmasse umfasst, so dass der erfindungsgemäße Sensor vergleichsweise bauraumkompakt realisierbar ist und eine Größenveränderung des ersten Überdeckungsbereichs durch eine Verschiebung des ersten Anschlags parallel zur Haupterstreckungsebene relativ zum ersten Randbereich eine gleiche Größenveränderung des zweiten Überdeckungsbereichs bewirkt, da vorzugsweise mit dem ersten Anschlag über die Kappe zwangsläufig auch der zweite Anschlag in gleicher Weise relativ zum zweiten Randbereich parallel zur Haupterstreckungsebene verschoben wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Anschlag bezüglich der seismischen Masse derart angeordnet sind, dass eine erste elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem ersten Anschlag und dem ersten Bereich im Wesentlichen identisch einer zweiten elektrostatischen Wechselwirkung zwischen dem zweiten Anschlag und dem zweiten Bereich vorgesehen ist, so dass sich die erste und zweite elektrostatische Wechselwirkungen in vorteilhafter Weise gegenseitig kompensieren und somit das Verhalten der seismischen Masse insbesondere bei einer Beschleunigungswirkung senkrecht zur Haupterstreckungsebene nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Sensor einen mikromechanischen Sensor und insbesondere einen mikromechanischen Beschleunigungssensor umfasst, welcher vorzugsweise gegenüber Beschleunigungskräften senkrecht zur Haupterstreckungsebene sensitiv vorgesehen ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, wobei in einem Montageschritt die Kappe zusammen mit dem ersten und dem zweiten Anschlag derart auf dem Substrat angeordnet wird, R. 324821 5

dass der erste und der zweite Überdeckungsbereich im Wesentlichen gleich groß sind, so dass sich, wie oben bereits ausgeführt, die erste und die zweite elektrostatische Wechselwirkung gegenseitig kompensieren und somit das Verhalten der seismischen Masse nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Besonders vorteilhaft werden ferner in lediglich einem einzigen Montageschritt der erste und der zweite Anschlag gleichzeitig angeordnet und somit die Gleichheit des ersten und zweiten Überdeckungsbereichs sichergestellt. Durch die feste Verbindung zwischen erstem und zweiten Anschlag werden darüberhinaus die Fertigungstoleranzen erhöht, da eine Größenveränderung des ersten Überdeckungsbereichs automatisch auch zu eine gleichsamen Größenveränderung des zweiten Überdeckungsbereichs führt. Insbesondere muss somit die Kappe auf dem Substrat dadurch deutlich weniger genau positioniert werden.

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

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen Figur 1 eine schematische Perspektivansicht eines Substrat und einer seismischen

Masse eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung,

Figur 2 eine schematische Perspektivansicht einer Kappe eines Sensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 3 eine schematische Perspektivansicht eines Sensors gemäß der ersten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 4 eine schematische Perspektivansicht eines Sensors gemäß einer zweiten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 5 eine schematische Perspektivansicht eines Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Figur 6 eine schematische Perspektivansicht eines Sensors gemäß einer vierten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. R. 324821 6

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung

In Figur 1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Substrat 100 und einer seismischen Masse 500 eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das Substrat 100 eine

Haupterstreckungsebene 101 aufweist und die seismische Masse 500 in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene 101 vollständig umschließt. Die seismische Masse 500 umfasst eine erste seismische Teilmasse 1 und eine zweite seismische Teilmasse 2, wobei die erste und die zweite seismische Teilmasse 1 , 2 durch einen ersten und einen zweiten Steg 3, 4 miteinander verbunden sind. Zwischen der ersten und der zweiten seismischen Teilmasse 1 , 2 und zwischen dem ersten und zweiten Steg 3, 4 ist ein Freiraum 10 ausgebildet. Alternativ umfasst der Freiraum 10 ein Gebiet, welches auf dem elektrischen Potential des Substrats 100 liegt. In dem Freiraum 10 ist ein Verankerungselement 7 angeordnet, welches mit dem Substrat 100 verbunden ist. Die seismische Masse 500 ist mittels Aufhängungsfedern 5 an dem Verankerungselement 7 befestigt, so dass eine Bewegung der seismischen Masse 500 relativ zum Substrat 100 ermöglicht wird. Die Aufhängungsfedern 5 greifen vorzugsweise an dem ersten und zweiten Steg 3, 4 an und definieren somit insbesondere eine Schwenkachse 102 parallel zur Haupterstreckungsebene 101. Die erste und die zweite seismische Teilmasse 1 , 2 umfassen eine unterschiedliche

Masse und der Schwerpunkt der ersten seismischen Teilmasse weist einen Abstand zur Schwenkachse 102 auf, welcher ungleich einem Abstand des Schwerpunkts der zweiten seismischen Teilmasse zur Schwenkachse 102 ist, so dass die seismische Masse 500 als eine um die Schwenkachse 102 auslenkbare Wippenstruktur mit einer bezüglich der Schwenkachse 102 asymmetrischen Massenverteilung ausgebildet ist. Eine auf den Sensor wirkende Beschleunigungskraft senkrecht zur Haupterstreckungsebene 101 , d.h. in z-Richtung, erzeugt somit eine Auslenkung der seismischen Masse 500 um die Schwenkachse 102.

In Figur 2 ist eine schematische Perspektivansicht einer Kappe 200 eines Sensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Kappe 200 einen Hohlraum 204 aufweist, in welchem ein erster und ein zweite Anschlag 201 , 202 angeordnet ist und wobei die Kappe 200 einen den Hohlraum 204 parallel zur Haupterstreckungsebene 101 umlaufenden Rahmen 203 aufweist. Der R. 324821 7

erste und der zweite Anschlag 201 , 202 sind über die restliche Kappe elektrisch leitfähig miteinander verbunden und liegen daher im Wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential.

In Figur 3 ist eine schematische Perspektivansicht eines Sensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Figur 3 im Wesentlichen identisch der Figur 1 ist und zusätzlich die Kappe 200 aus Figur 2 darstellt. Die Kappe 200 ist im Unterschied zur Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch in einer Schnittdarstellung illustriert, wobei die Schnittdarstellung eines Schnittes durch die Kappe 200 entlang der in Figur 2 dargestellten Schnittlinie 103 entspricht. Ferner ist die Kappe 200 relativ zum Substrat 100 derart ausgerichtet, dass der erste und zweite Anschlag 201 , 202 in Richtung der seismischen Masse 500 zeigen und der Hohlraum 204 in Richtung der seismischen Masse 500 geöffnet ist. Die Kappe 200 ist über den Rahmen 203 mit dem Substrat 100, insbesondere über eine stoffschlüssige Verbindung, wie beispielsweise durch Kleben, Verglasen, anodisches Bonden o.a., fest verbunden, wobei die seismische Masse 500 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 101 zwischen Substrat 100 und Kappe 200 angeordnet ist. In einem ersten Überdeckungsbereich 401 überdeckt senkrecht zur Haupterstreckungsebene 101 der erste Anschlag 201 einen ersten Bereich 501 der seismischen Masse 500, während in einem zweiten Überdeckungsbereich 402 der zweite Anschlag 202 einen zweiten Bereich 502 der seismischen Masse 500 überdeckt, wobei der erste Bereich 501 auf der ersten seismischen Teilmasse 1 und der zweite Bereich 502 auf der zweiten seismischen Teilmasse 2 angeordnet ist. Der Größe des ersten Überdeckungsbereichs 401 ist dabei parallel zur Haupterstreckungsebene 101 im Wesentlichen der Größe des zweiten Überdeckungsbereichs 402 identisch, so dass eine erste elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem ersten Bereich 501 und dem ersten Anschlag 201 im Wesentlichen gleich groß einer zweiten elektrostatischen Wechselwirkung zwischen dem zweiten Bereich 502 und dem zweiten Anschlag 202 ist. Die erste und zweite elektrostatische Wechselwirkung kompensieren sich somit im Hinblick auf das Auslenkungsverhalten der seismischen Masse 500 um die Schwenkachse 102 gegenseitig, so dass keine oder nur eine unwesentlichen Beeinflussung des Auslenkungsverhaltens durch den ersten und/oder den zweiten Anschlag 201 , 202 vorliegt. Insbesondere wird ein R. 324821 8

resultierendes Drehmoment auf die seismische Masse aufgrund der Kompensation der ersten und der zweiten elektrostatischen Wechselwirkung vermieden. Die erste und zweite elektrostatische Wechselwirkung sind dabei mittels der Pfeile schematisch angedeutet. Der erste und der zweite Bereich 501 , 502 weisen dazu vorzugsweise den gleichen Abstand zur Schwenkachse 102 auf. Der erste Anschlag 201 ist senkrecht zur Haupterstreckungsebene 101 von dem ersten Bereich 501 derart beabstandet, dass eine erste Auslenkung der seismischen Masse 500 um die Schwenkachse 102 durch eine Berührung zwischen dem ersten Anschlag 201 und dem ersten Bereich 501 begrenzt wird, während der zweite Anschlag 202 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 102 vorzugsweise gleichermaßen von dem zweiten Bereich 502 beabstandet ist, so dass eine der ersten Auslenkung entgegengesetzte zweite Auslenkung der seismischen Masse 500 um die Schwenkachse 102 durch eine Berührung zwischen dem zweiten Anschlag 202 und dem zweiten Bereich 502 begrenzt wird. Eine Beschädigung des Sensors durch zu große erste und zweite Auslenkungen der seismischen Masse 500 wird somit unterbunden.

In den Figuren 4 und 5 sind schematische Perspektivansichten von Sensoren gemäß einer zweiten und dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite und dritte Ausführungsform im Wesentlichen jeweils identisch der ersten Ausführungsform illustriert in Figur 3 sind, wobei im Unterschied jeweils die Kappe 200 relativ zum Substrat 100 in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene 101 leicht verschoben ist. Der erste Bereich 501 umfasst daher zumindest in der zweiten Ausführungsform einen ersten Randbereich der ersten seismischen Teilmasse 1 und der zweite Bereich 502 einen zweiten Randbereich der zweiten seismischen Teilmasse 2. Da der erste und der zweite

Anschlag 201 , 202 als Teil der Kappe 200 ausgebildet sind, ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlag 201 und 202 jeweils konstant, so dass durch die Verschiebung der Kappe 200 relativ zum Substrat 100 der erste und der zweite Überdeckungsbereich 401 , 402 um den gleichen Betrag in der Größe verändert werden. Die Größen des ersten und zweiten Überdeckungsbereichs 401 , 402 sind somit unabhängig von einer Verschiebung der Kappe 200 relativ zum Substrat 100 und liegen auf dem gleichen elektrischen Potential, so dass sich die erste und die zweite elektrostatische Wechselwirkung auch unabhängig von einer Verschiebung der Kappe 200 relativ zum Substrat 100 im Wesentlichen gegenseitig kompensieren R. 324821 9

und kein oder nur ein vergleichsweise geringes resultierendes Drehmoment auf die seismische Masse 500 wirkt. Besonders vorteilhaft werden somit die Fertigungstoleranzen bei der Positionierung der Kappe 200 auf dem Substrat 100 erheblich erhöht.

In Figur 6 ist eine schematische Perspektivansicht eines Sensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die vierte Ausführungsform im Wesentlichen identisch der dritten Ausführungsform dargestellt in Figur 5 ist, wobei der Freiraum 10 kleiner und die erste seismische Teilmasse 1 größer ausgebildet ist. Der erste und der zweite Bereich 501 , 502 umfassen somit nicht mehr einen ersten und einen zweiten Randbereich, wobei sich dennoch die erste und die zweite elektrostatische Wechselwirkung im Wesentlichen gegenseitig kompensieren.