DE10117257A1

DE10117257A1 - Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE10117257A1
Application number: DE2001117257
Authority: DE
Inventors: Peter Knittl; Ulrich Prechtel
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-17
Also published as: WO2002082101A1; WO2002082101A8

Abstract

Es wird ein mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts beschrieben, mit einem Sensorgehäuse (1), welches bezüglich dem Objekt ortsfest ist, mit einer trägen Sensormasse (2), welche relativ zu dem Sensorgehäuse (1) um eine Ausgangslage elastisch beweglich gelagert und von diesem umgeben ist, und mit einer Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines die Beschleunigung des Objekts repräsentierenden Ausgangssignals aus der Lage der Sensormasse (2) relativ zu dem Sensorgehäuse (1), welche an der Sensormasse (2) vorgesehene erste Kondensatorelektroden und an der Innenseite des Sensorgehäuses (1) unter Bildung eines schmalen Spaltes (3, 4) in geringem Abstand den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend angeordnete zweite Kondensatorelektroden umfasst. Erfindungsgemäß sind an einer oder mehreren den schmalen Spalt (3, 4) zwischen Sensormasse (2) und Sensorgehäuse (1) begrenzenden Flächen Drainagestrukturen (5; 6; 7; 8) zur Aufnahme von in dem schmalen Spalt (3, 4) vorhandenen Gasteilchen bei deren Verdrängung aufgrund der Relativbewegung zwischen Sensormasse (2) und Sensorgehäuse (1) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts sind mikromechanische kapazitive Be schleunigungssensoren bekannt, welche ein bezüglich dem Objekt ortsfest angeordnetes Sensorgehäuse und eine träge Sensormasse umfassen, die relativ zu dem Sensorgehäuse um eine Ausgangslage elastisch beweglich gelagert und von dem Sensorgehäuse umgeben ist. Eine Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines die Beschleunigung des Objekts reprä sentierenden Ausgangssignals aus der Lage der Sensormasse relativ zu dem Sensorgehäuse umfasst an der Sensormasse vorgesehene erste Kondensatorelektroden und an der Innen seite des Sensorgehäuses unter Bildung eines schmalen Spaltes in geringem Abstand den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend angeordnete zweite Kondensatorelektro den.

Bei derartigen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensoren besteht eine Schwierigkeit darin, dass diese einer starken mechanischen Dämpfung unterliegen, wenn sie bei geringem Spaltabstand relativ große Flächen aufweisen. Denn, große Flächen bei geringem Spaltabstand ermöglichen es zwar, die ersten und zweiten Kondensatorelektro den groß auszuführen und in geringem Abstand zueinander anzuordnen, was der Erzeu gung eines kräftigen Nutzsignals dienlich ist, die in dem schmalen Spalt zwischen Sensor masse und Sensorgehäuse vorhandenen Gasteilchen bewirken unter diesen Umständen aber die besagte starke mechanisch Dämpfung des Systems. Damit der Beschleunigungs sensor eine große Bandbreite aufweist, muss das System jedoch über einen großen Fre quenzbereich möglichst wenig gedämpft sein.

Eine geringe Dämpfung konnte bei mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssenso ren der vorausgesetzten Art bisher nur durch eine technisch aufwendige hermetisch dichte Kapselung des Sensors erreicht werden, bei welcher der die Sensormasse beherbergende Innenraum des Sensorgehäuses unter einem definierten Unterdruck gehalten wird. Dies ist jedoch einerseits mit hohem Aufwand und damit hohen Kosten bei der Sensorherstellung verbunden und eine reproduzierbare, langzeitstabile Einstellung des Dämpfungsverhaltens ist damit nur schwer zu erhalten.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungs sensor der vorausgesetzten Art zu schaffen, bei welchem auf einfache Weise eine geringe Dämpfung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angegebenen mikromechanischen kapaziti ven Beschleunigungssensor gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen es erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Erfindung wird ein mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts geschaffen, der ein Sensorgehäuse, welches bezüglich dem Objekt ortsfest ist, und eine träge Sensormasse, welche relativ zu dem Sen sorgehäuse um eine Ausgangslage elastisch beweglich gelagert und von diesem umgeben ist, umfasst. Eine Erfassungseinrichtung dient der Erzeugung eines die Beschleunigung des Objekts repräsentierenden Ausgangssignals aus der Lage der Sensormasse relativ zu dem Sensorgehäuse, welche an der Sensormasse vorgesehene erste Kondensatorelektroden und an der Innenseite des Sensorgehäuses unter Bildung eines schmalen Spaltes in geringem Abstand den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend angeordnete zweite Kon densatorelektroden umfasst. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass an einer oder mehre ren den schmalen Spalt zwischen Sensormasse und Sensorgehäuse begrenzenden Flächen Drainagestrukturen zur Aufnahme von in dem schmalen Spalt vorhandenen Gasteilchen bei deren Verdrängung aufgrund der Relativbewegung zwischen Sensormasse und Sensorge häuse vorgesehen sind.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssen sor ist es, dass ohne hermetische Kapselung des Sensorgehäuses eine geringe Dämpfung und damit eine große Bandbreite, über welche der Sensor betrieben werden kann, zu errei chen ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist es, dass eine reproduzierbare, langzeitstabile Einstellung des Dämpfungsverhaltens möglich ist. Das Innere des Sensorgehäuses kann den Umgebungsdruck annehmen, es muss weder ein Unterdruck hergestellt und gehalten werden, noch ist die dazu erforderliche hermetisch dichte Kapselung des Sensors nötig, welche technisch aufwendig wäre.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Drainagestruktu ren an der Sensormasse vorgesehen sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Drainage strukturen an der Innenseite des Sensorgehäuses der Sensormasse gegenüberliegend vor gesehen sind.

Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Drainagestrukturen sowohl an der Sensormasse als auch an der Innenseite des Sensorge häuses der Sensormasse gegenüberliegend vorgesehen sind.

Gemäß einer Art der Ausbildung der Drainagestrukturen ist es vorgesehen, dass diese durch beabstandet zueinander angeordnete vertiefte Lochstrukturen gebildet sind.

Gemäß einer anderen Art der Ausbildung der Drainagestrukturen ist es vorgesehen, dass diese durch parallel zueinander angeordnete Strichbalkenstrukturen gebildet sind.

Gemäß einer weiteren Art der Ausbildung der Drainagestrukturen ist es vorgesehen, dass diese durch eine vertiefte waffelmusterförmige Gitterstruktur gebildet sind.

Schließlich ist es gemäß einer noch anderen Art der Ausbildung der Drainagestrukturen vorgesehen, dass diese durch eine erhabene waffelmusterförmige Gitterstruktur gebildet sind.

Eine bevorzugte Ausführungsart sieht es vor, dass die Drainagestruktur durch trockenche mische Ätzung hergestellt ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematisierte Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine schematisierte Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Beschleuni gungssensors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine schematisierte Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Beschleuni gungssensors nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 in der Draufsicht eine stark vergrößerte Darstellung von Drainagestrukturen gemäß einer Ausführungsart;

Fig. 6 in der Draufsicht eine stark vergrößerte Darstellung einer anderen Art einer Draina gestruktur gemäß der Erfindung;

Fig. 7 in der Draufsicht eine stark vergrößerte Darstellung noch eine andere Art der Drai nagestruktur gemäß der Erfindung; und

Fig. 8 in der Draufsicht eine stark vergrößerte Darstellung von noch einer weiteren Art der Drainagestruktur gemäß der Erfindung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen mikromechanischen kapazitiven Beschleu nigungssensor, welcher insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und der zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts dient, ist ein Sensorgehäuse 1 vorgesehen, welches bezüglich dem besagten Objekt ortsfest ist. Eine träge Sensormasse 2 ist mittels einer Lagereinrichtung 14 relativ zu dem Sensorgehäuse 1 um eine Ausgangslage elastisch beweglich gelagert und ist von dem Sensorgehäuse 1 umgeben bzw. eingeschlossen. Eine Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines die Beschleunigung des Objekts repräsentie renden Ausgangssignals aus der Lage der Sensormasse 2 relativ zu dem Sensorgehäuse 1 umfasst an der Sensormasse 2 vorgesehene erste Kondensatorelektroden 11 und an der Innenseite des Sensorgehäuses 1 vorgesehene zweite Kondensatorelektroden 12. Die zweiten Kondensatorelektroden 12 sind den ersten Kondensatorelektroden 11 unter Bil dung eines schmalen Spaltes 3, 4 in geringem Abstand gegenüberliegend angeordnet. Zwi schen der Sensormasse 2 und dem Inneren des Sensorgehäuses 1 in dem besagten schma len Spalt 3, 4 vorhandene Gasteilchen haben die Tendenz, die Bewegung der Sensormasse 2 gegenüber dem Sensorgehäuse 1 stark zu bedämpfen.

Bei den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors, insgesamt mit dem Bezugszei chen 10 bezeichnet, ist wiederum ein Sensorgehäuse 1 vorgesehen, welches bezüglich dem Objekt ortsfest angeordnet ist, dessen Beschleunigung erfasst werden soll. Eine träge Sen sormasse 2 ist mittels einer Lagereinrichtung 14 relativ zu dem Sensorgehäuse 1 um eine Ausgangslage elastisch beweglich gelagert und von dem Sensorgehäuse umgeben bzw. eingeschlossen. Eine Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines die Beschleunigung des Objekts repräsentierenden Ausgangssignals aus der Lage der Sensormasse 2 relativ zu dem Sensorgehäuse 1 umfasst an der Sensormasse 2 vorgesehene erste Kondensatorelektroden und an der Innenseite des Sensorgehäuses 1 unter Bildung eines schmalen Spaltes in gerin gem Abstand den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend angeordnete zweite Kondensatorelektroden. Die ersten und zweiten Kondensatorelektroden sind in den Fig. 2 bis 4 zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit weggelassen, die Anordnung ent spricht jedoch im wesentlichen der herkömmlichen wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.

Allgemein ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass an einer oder mehreren den schmalen Spalt 3, 4 zwischen Sensormasse 2 und Sensorgehäuse 1 begrenzenden Flächen Drainagestrukturen 5; 6; 7; 8 zur Aufnahme von in dem schmalen Spalt 3, 4 vorhandenen Gasteilchen bei deren Verdrängung aufgrund der Relativbewegung zwischen Sensormasse 2 und Sensorgehäuse 1 vorgesehen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Draina gestrukturen 5; 6; 7; 8 an der Sensormasse 2 vorgesehen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Drainagestrukturen 5; 6; 7; 8 an der Innenseite des Sensorgehäuses 1 der Sensormasse 2 gegenüberliegend vor gesehen.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Draina gestrukturen S. 6; 7; 8 sowohl an der Sensormasse 2 als auch an der Innenseite des Sensor gehäuses 1 der Sensormasse 2 gegenüberliegend vorgesehen.

Die Fig. 5 bis 8 zeigen verschiedene Arten der Ausbildung der Drainagestrukturen, wie sie an der Sensormasse 2 und/oder an der der Sensormasse 2 gegenüberliegenden Innen seite des Sensorgehäuses 1 vorgesehen sein können. Die Erfindung ist jedoch weder auf die dargestellten Arten der Drainagestrukturen begrenzt, noch darauf, dass die Drainagestruk turen die gesamte Fläche der Sensormasse 2 einnehmen oder die gesamte der Sensormasse 2 gegenüberliegende Fläche an der Innenseite des Sensorgehäuses 1 einnehmen, noch dar auf, dass sie nur an diesen besagten Flächen vorgesehen sind. Die Drainagestrukturen kön nen die besagten Flächen einnehmen, sie können nur einen Teil der besagten Flächen ein nehmen oder sie können auch an zusätzlichen Flächen vorgesehen sein, also etwa an Flä chen der Innenseite des Sensorgehäuses, die der Sensormasse 2 nicht unmittelbar gegen über liegen.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Drainagestrukturen durch beabstandet voneinander angeordnete vertiefte Lochstrukturen 5 gebildet. In einem erha benen Flächenbereich 20 sind Vertiefungen in Form von Löchern 5 ausgebildet.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Drainagestrukturen durch parallel zueinander angeordnete Strichbalkenstrukturen 6 gebildet. In einem erhabenen Flächenbereich 20 sind strichförmige Vertiefungen 6 ausgebildet.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Drainagestrukturen durch eine vertiefte waffelmusterförmige Gitterstruktur 7 gebildet. In einem erhabenen Flächenbe reich 20 sind die vertieften Gitterstrukturen 7 durch eine Art von gekreuzten Strichgitter ausgebildet.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel schließlich sind die Drainagestruktu ren durch eine erhabene waffelmusterförmige Gitterstruktur 8 gebildet. Von einer ur sprünglich erhabenen Fläche 20 bleibt das erhabene waffelmusterförmige Gitter 8 stehen, dazwischen sind Vertiefte Flächenbereiche 21 gebildet.

Die Drainagestrukturen 5; 6; 7; 8 können auf verschiedene Weise hergestellt werden, wie sie im Bereich der Herstellung von mikroelektronischen und mikromechanischen Fein strukturen üblich sind, eine bevorzugte Art der Herstellung ist beispielsweise die durch tro ckenchemische Ätzung.

Die Drainagestrukturen 5; 6; 7; 8 können auf den an der Sensormasse 2 vorgesehenen ers ten Kondensatorelektroden und/oder auf den an der Innenseite des Sensorgehäuses 1 den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend angeordneten zweiten Kondensatorelekt roden ausgebildet sein. In diesem Falle hätten die ersten Kondensatorelektroden und/oder zweiten Kondensatorelektroden eine veränderte Oberflächenstruktur, ihre Funktion bliebe jedoch im wesentlichen unverändert.

Bezugszeichenliste

1

Sensorgehäuse

2

Sensormasse

3

Spalt

4

Spalt

5

Drainagestruktur

6

Drainagestruktur

7

Drainagestruktur

8

Drainagestruktur

10

Beschleunigungssensor

11

erste Kondensatorelektrode

12

zweite Kondensatorelektrode

14

Lagereinrichtung

20

erhabener Flächenbereich

21

vertiefter Flächenbereich

Claims

1. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor zur Erfassung der Be schleunigung eines Objekts, mit einem Sensorgehäuse (1), welches bezüglich dem Objekt ortsfest ist, mit einer trägen Sensormasse (2), welche relativ zu dem Sensorgehäuse (1) um eine Ausgangslage elastisch beweglich gelagert und von diesem umgeben ist, und mit einer Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines die Beschleunigung des Objekts repräsentie renden Ausgangssignals aus der Lage der Sensormasse (2) relativ zu dem Sensorgehäuse (1), welche an der Sensormasse (2) vorgesehene erste Kondensatorelektroden und an der Innenseite des Sensorgehäuses (1) unter Bildung eines schmalen Spaltes (3, 4) in geringem Abstand den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend angeordnete zweite Kon densatorelektroden umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass an einer oder mehreren den schmalen Spalt (3, 4) zwischen Sensormasse (2) und Sensorgehäuse (1) begrenzenden Flä chen Drainagestrukturen (5; 6; 7; 8) zur Aufnahme von in dem schmalen Spalt (3, 4) vor handenen Gasteilchen bei deren Verdrängung aufgrund der Relativbewegung zwischen Sensormasse (2) und Sensorgehäuse (1) vorgesehen sind.

2. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestrukturen (5; 6; 7; 8) an der Sensormasse (2) vorgese hen sind.

3. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestrukturen (5; 6; 7; 8) an der Innenseite des Sensorge häuses (1) der Sensormasse (2) gegenüberliegend vorgesehen sind.

4. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestrukturen (5; 6; 7; 8) sowohl an der Sensormasse (2) als auch an der Innenseite des Sensorgehäuses (1) der Sensormasse (2) gegenüberliegend vorgesehen sind.

S. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestrukturen durch beabstandet von einander angeordnete vertiefte Lochstrukturen (5) gebildet sind.

6. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestrukturen durch parallel zueinander angeordnete Strichbalkenstrukturen (6) gebildet sind.

7. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestruktur durch eine vertiefte waffel musterförmige Gitterstruktur (7) gebildet ist.

8. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestruktur durch eine erhabene waffel musterförmige Gitterstruktur (8) gebildet ist.

9. Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagestruktur (5; 6; 7; 8) durch trocken chemische Ätzung hergestellt ist.