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DE102021209027A1 - Micromechanical acceleration sensor - Google Patents

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DE102021209027A1
DE102021209027A1 DE102021209027.3A DE102021209027A DE102021209027A1 DE 102021209027 A1 DE102021209027 A1 DE 102021209027A1 DE 102021209027 A DE102021209027 A DE 102021209027A DE 102021209027 A1 DE102021209027 A1 DE 102021209027A1
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DE
Germany
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axis
rocker
torsion
acceleration sensor
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
DE102021209027.3A
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German (de)
Inventor
Cristian Nagel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat (1) mit einer Haupterstreckungsebene (x,y) und mit einer seismischen Masse (10) in Form einer Wippe, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die Wippe an einer Torsionsfeder (20) drehbar aufgehängt ist, wobei die Torsionsfeder eine Torsionsachse (Ty) parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die Wippe, geteilt durch die Torsionsachse, eine leichte Seite und eine schwere Seite aufweist.Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Wippe eine Rotationsachse (Ry) aufweist, welche parallel zur Torsionsachse mit einem Abstand (RTx) dazu auf der leichten Seite angeordnet ist und dass wenigstens zwei Bodenelektroden (40) symmetrisch zur Rotationsachse (Ry) und asymmetrisch zur Torsionsachse auf dem Substrat unter der Wippe angeordnet sind.The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a substrate (1) with a main extension plane (x,y) and with a seismic mass (10) in the form of a rocker which is arranged above the substrate, the rocker being attached to a torsion spring (20 ) is rotatably suspended, the torsion spring having a torsion axis (Ty) parallel to the main plane of extension, the rocker divided by the torsion axis having a light side and a heavy side ) which is arranged parallel to the torsion axis at a distance (RTx) thereto on the light side and that at least two bottom electrodes (40) are arranged symmetrically to the axis of rotation (Ry) and asymmetrically to the torsion axis on the substrate under the rocker.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat mit einer Haupterstreckungsebene und mit einer seismischen Masse in Form einer Wippe, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die Wippe an einer Torsionsfeder drehbar aufgehängt ist, wobei die Torsionsfeder eine Torsionsachse parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die Wippe, geteilt durch die Torsionsachse, eine leichte Seite und eine schwere Seite aufweist.The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a substrate with a main extension plane and with a seismic mass in the form of a seesaw which is arranged above the substrate, the seesaw being rotatably suspended on a torsion spring, the torsion spring having a torsion axis parallel to the main extension plane , where the seesaw divided by the torsion axis has a light side and a heavy side.

Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (z-Richtung) werden häufig Wippen genutzt, wie exemplarisch in 1 im Querschnitt dargestellt. Das Sensorprinzip dieser Wippen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche seismische Masse (in der P3-Schicht realisiert) mit zwei auf dem Substrat fixierten Gegenelektroden (P1-Schicht, welche auf einer Isolationsschicht, orange dargestellt, oberhalb des Substrats angeordnet ist) zwei Plattenkondensatoren bildet. Die Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Derartige Beschleunigungssensoren sind in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben, u. a. in EP 0 244 581 und EP 0 773 443 B1 .Micromechanical inertial sensors for measuring acceleration and yaw rate are mass-produced for various applications in the automotive and consumer sectors. Rockers are often used for capacitive acceleration sensors with a detection direction perpendicular to the wafer plane (z-direction), as shown in an example in 1 shown in cross section. The sensor principle of these rockers is based on a spring-mass system, in which, in the simplest case, a movable seismic mass (implemented in the P3 layer) with two counter-electrodes fixed on the substrate (P1 layer, which is on an insulating layer, shown in orange, arranged above the substrate) forms two plate capacitors. The change in capacitance is a measure of the acting acceleration. Acceleration sensors of this type are described in numerous publications, including in EP 0 244 581 and EP 0 773 443 B1 .

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin einen Beschleunigungssensor mit verbesserter Messgenauigkeit zu schaffen.The object of the invention is to create an acceleration sensor with improved measurement accuracy.

Kern und Vorteile der ErfindungEssence and advantages of the invention

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat mit einer Haupterstreckungsebene und mit einer seismischen Masse in Form einer Wippe, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die Wippe an einer Torsionsfeder drehbar aufgehängt ist, wobei die Torsionsfeder eine Torsionsachse parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die Wippe, geteilt durch die Torsionsachse, eine leichte Seite und eine schwere Seite aufweist.The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a substrate with a main plane and with a seismic mass in the form of a rocker, which is arranged above the substrate, the rocker being rotatably suspended on a torsion spring, the torsion spring having a torsion axis parallel to the main plane , where the seesaw divided by the torsion axis has a light side and a heavy side.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Wippe eine Rotationsachse aufweist, welche parallel zur Torsionsachse mit einem Abstand dazu auf der leichten Seite angeordnet ist und dass wenigstens zwei Detektionselektroden symmetrisch zur Rotationsachse und asymmetrisch zur Torsionsachse auf dem Substrat unter der Wippe angeordnet sind.The essence of the invention is that the rocker has an axis of rotation which is parallel to the torsion axis at a distance therefrom on the light side and that at least two detection electrodes are arranged symmetrically to the axis of rotation and asymmetrically to the torsion axis on the substrate under the rocker.

Erfindungsgemäß ist also die gezielt asymmetrische Anordnung der Auswertelektroden bezüglich der (Torsions-)Feder und deren symmetrische Anordnung bezüglich der realen Rotationsachse.According to the invention, therefore, is the deliberately asymmetrical arrangement of the evaluation electrodes with respect to the (torsion) spring and their symmetrical arrangement with respect to the real axis of rotation.

Die Erfindung biete eine Verbesserung aller auf der Linearität basierenden Parameter (z.B: allg. Linearität, Linearität der Sensitivität, vibration rectification error, total harmonic distortion, ...).The invention offers an improvement of all parameters based on linearity (e.g.: general linearity, linearity of sensitivity, vibration rectification error, total harmonic distortion, ...).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Detektionselektroden wenigstens zwei Bodenelektroden symmetrisch zur Rotationsachse und asymmetrisch zur Torsionsachse auf dem Substrat unter der Wippe angeordnet sind.An advantageous embodiment of the invention provides that at least two bottom electrodes are arranged as detection electrodes symmetrically to the axis of rotation and asymmetrically to the torsion axis on the substrate under the seesaw.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht alternativ oder zusätzlich vor, dass als Detektionselektroden wenigstens zwei Top-Elektroden symmetrisch zur Rotationsachse und asymmetrisch zur Torsionsachse über der Wippe angeordnet sind.Alternatively or additionally, an advantageous embodiment of the invention provides that at least two top electrodes are arranged symmetrically to the axis of rotation and asymmetrically to the torsion axis above the rocker as detection electrodes.

Figurenlistecharacter list

  • 1 zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer seismischen Masse in Form einer Wippe im Stand der Technik. 1 shows schematically a micromechanical acceleration sensor with a seismic mass in the form of a seesaw in the prior art.
  • 2a zeigt schematisch einen Beschleunigungssensor mit einer idealen Auslenkung der Wippe. 2a shows schematically an acceleration sensor with an ideal deflection of the rocker.
  • 2b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer realen Auslenkung der Wippe in einem ersten Ausführungsbeispiel. 2 B shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention with a real deflection of the rocker in a first embodiment.
  • 3a zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer asymmetrischen Wippe im Stand der Technik. 3a shows schematically a micromechanical acceleration sensor with an asymmetrical rocker in the prior art.
  • 3b zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer symmetrischen Wippe im Stand der Technik. 3b shows schematically a micromechanical acceleration sensor with a symmetrical rocker in the prior art.
  • 4a zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer asymmetrischen Wippe. 4a shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention in a second embodiment with an asymmetrical rocker.
  • 4b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer symmetrischen Wippe. 4b shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention in a third embodiment with a symmetrical rocker.
  • Die 5 a bis e zeigen schematisch weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensors mit einer symmetrischen Wippe.The 5 a to e schematically show further exemplary embodiments of an inventive ßen micromechanical acceleration sensor with a symmetrical rocker.

BeschreibungDescription

1 zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer seismischen Masse in Form einer Wippe im Stand der Technik. Über einem Substrat 1 mit einer Haupterstreckungsebene (x,y) ist eine seismische Masse 10 in Form einer Wippe angeordnet. Die Wippe ist an einer Torsionsfederanordnung 20 drehbar aufgehängt, wobei die Torsionsfederanordnung eine Torsionsachse Ty parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist. Die Wippe weist einen symmetrischen Masseteil 12, symmetrisch zur Torsionsachse und einen zusätzlichen asymmetrischen Masseteil 14 auf einer Seite der Torsionsfederanordnung auf. Bei einer Beschleunigung az des gesamten Beschleunigungssensors in einer Richtung z, senkrecht zur Haupterstreckungsebene dreht sich die Wippe um eine durch die Torsionsfederanordnung vorgegebene Drehachse. Bodenelektroden 40 auf dem Substrat 1 unter der Wippe bilden zusammen mit der Wippe Plattenkondensatoren. Sie ermöglichen es, den veränderlichen Abstand der Masse zum Substrat durch eine Kapazitätsänderung zu detektieren. Anschläge 30 an der Unterseite der Wippe begrenzen die Auslenkung der seismischen Masse. Der Beschleunigungssensor ist in Oberflächen-Mikromechanik gefertigt, wobei insbesondere eine erste dünne Siliziumschicht P1 und eine zweite dicke Siliziumschicht P3 über dem Substrat angeordnet ist. Aus der ersten dünnen Siliziumschicht P1, die mittels einer Isolationsschicht auf dem Substrat angeordnet ist, sind die Bodenelektroden 40 gebildet. Aus der zweiten dicken Siliziumschicht P3 sind die Torsionsfederanordnung und die seismische Masse gebildet. 1 shows schematically a micromechanical acceleration sensor with a seismic mass in the form of a seesaw in the prior art. A seismic mass 10 in the form of a seesaw is arranged above a substrate 1 with a main extension plane (x,y). The rocker is rotatably suspended on a torsion spring arrangement 20, the torsion spring arrangement having a torsion axis Ty parallel to the main plane of extension. The see-saw has a symmetrical mass portion 12 symmetrical to the torsion axis and an additional asymmetrical mass portion 14 on one side of the torsion spring assembly. With an acceleration az of the entire acceleration sensor in a direction z perpendicular to the main extension plane, the rocker rotates about an axis of rotation predetermined by the torsion spring arrangement. Bottom electrodes 40 on the substrate 1 under the seesaw form plate capacitors together with the seesaw. They make it possible to detect the variable distance between the ground and the substrate through a change in capacitance. Stops 30 on the underside of the seesaw limit the deflection of the seismic mass. The acceleration sensor is manufactured using surface micromechanics, with a first thin silicon layer P1 and a second thick silicon layer P3 being arranged over the substrate. The bottom electrodes 40 are formed from the first thin silicon layer P1, which is arranged on the substrate by means of an insulating layer. The torsion spring arrangement and the seismic mass are formed from the second thick silicon layer P3.

Bisher wird bei der Auslenkung der Wippe eine perfekt rotatorische Bewegung des Sensors um die Torsionsfederanordnung angenommen. Folglich lenken sich Wippenbereiche, welche entlang der x-Achse die gleiche Entfernung zur Rotationsachse aufweisen, um den gleichen Betrag in z-Richtung aus. Um diese Auslenkung möglichst linear auswerten zu können, werden Bodenelektroden (C1, C2) mit dem gleichen Abstand zur Rotationsachse auf beide Wippenseiten angeordnet. Dies führt zu einer identischen Kapazitätsänderung dC in C1 = C0 + dC und C2 = C0 - dC.Up until now, a perfectly rotational movement of the sensor around the torsion spring arrangement has been assumed when the rocker is deflected. Consequently, rocker areas that are the same distance from the axis of rotation along the x-axis deflect by the same amount in the z-direction. In order to be able to evaluate this deflection as linearly as possible, bottom electrodes (C1, C2) are arranged on both sides of the rocker at the same distance from the axis of rotation. This leads to an identical change in capacitance dC in C1 = C0 + dC and C2 = C0 - dC.

2a zeigt schematisch einen Beschleunigungssensor mit einer idealen Auslenkung der Wippe. Die seismische Masse 10 führt bei Beschleunigung in Richtung z eine reine Rotationsbewegung um die Torsionsachse Ty der Torsionsfederanordnung 20 aus, welche also auch die Rotationsachse Ry ist. Zwei Bodenelektroden 40, welche mit der gegenüberliegenden Wippe Kapazitäten C1 und C2 bilden sind symmetrisch zur Torsionsachse Ty angeordnet, um die Auslenkung der Wippe zu messen. Die Strichpunktlinie kennzeichnet die Symmetrieachse. 2a shows schematically an acceleration sensor with an ideal deflection of the rocker. When accelerated in direction z, the seismic mass 10 performs a pure rotational movement about the torsion axis Ty of the torsion spring arrangement 20, which is therefore also the axis of rotation Ry. Two bottom electrodes 40, which form capacitances C1 and C2 with the opposite rocker, are arranged symmetrically to the torsion axis Ty in order to measure the deflection of the rocker. The dash-dot line marks the axis of symmetry.

2b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer realen Auslenkung der Wippe in einem ersten Ausführungsbeispiel. In realen Systemen findet bei Beschleunigungen entlang der z-Achse nicht nur eine reine Drehbewegung der seismischen Masse 10 statt, sondern, bedingt durch die endliche Steifigkeit der Feder 20 in z-Richtung, auch eine Translationsbewegung in z-Richtung statt. Demnach verformt sich die Torsionsfederanordnung 20 in geringem Maße auch wie ein Biegebalken in z-Richtung. Dies führt zu einer Verschiebung der Rotationsachse Ry weg von der Torsionsfederanordnung 20 mit ihrer Torsionsachse Ty in Richtung der leichten Wippenseite. Die wahre Rotationsachse Ry weist daher in x-Richtung einen Abstand RTx zur Torsionsachse Ty auf. Um eine möglichst geringe Nichtlinearität realisieren zu können, ist eine symmetrische Anordnung der Bodenelektroden zur realen Rotationsachse Ry und nicht zur Torsionsachse Ty der Torsionsfederanordnung 20 notwendig. Somit müssen die Detektionselektroden, hier die Bodenelektroden 40 asymmetrisch zur Torsionsfederanordnung angeordnet sein. 2 B shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention with a real deflection of the rocker in a first embodiment. In real systems, accelerations along the z-axis not only result in a pure rotational movement of the seismic mass 10 but also, due to the finite stiffness of the spring 20 in the z-direction, a translational movement in the z-direction. Accordingly, the torsion spring arrangement 20 also deforms to a small extent like a bending beam in the z-direction. This leads to a displacement of the axis of rotation Ry away from the torsion spring arrangement 20 with its torsion axis Ty in the direction of the easy rocker side. The true axis of rotation Ry is therefore at a distance RTx from the torsion axis Ty in the x-direction. In order to be able to realize the lowest possible non-linearity, a symmetrical arrangement of the bottom electrodes with respect to the real axis of rotation Ry and not to the torsion axis Ty of the torsion spring arrangement 20 is necessary. The detection electrodes, here the bottom electrodes 40, must therefore be arranged asymmetrically with respect to the torsion spring arrangement.

Diese Anordnung ist unabhängig davon, ob die Wippe aus einer einzigen Schicht oder mehreren beweglichen Schichten besteht. Sie gilt sowohl für asymmetrische als auch symmetrische Wippen. Entscheidend ist nur, dass die Wippe eine leichte und eine schwere Seite aufweist. Die 1 und 2 zeigen asymmetrische Wippen mit unterschiedlicher Flächenausdehnung der leichten und schweren Seite.This arrangement is independent of whether the see-saw consists of a single layer or multiple moving layers. It applies to both asymmetrical and symmetrical seesaws. The only decisive factor is that the seesaw has a light and a heavy side. The 1 and 2 show asymmetrical seesaws with different surface areas of the light and heavy side.

Die notwendige Asymmetrie, also der Abstand RTx ist abhängig von der Massenasymmetrie und Größe der MEMS-Struktur, insbesondere der Erstreckung EWx derWippe in der Erstreckungsrichtung Wx parallel zur Haupterstreckungsebene (x,y) und senkrecht zur Rotationsachse. Als Orientierung lässt sich ein Bereich von RTx = 1-10 µm pro 1 mm Kernlänge festlegen.The necessary asymmetry, i.e. the distance RTx, depends on the mass asymmetry and size of the MEMS structure, in particular the extension EWx of the rocker in the extension direction Wx parallel to the main extension plane (x,y) and perpendicular to the axis of rotation. A range of RTx = 1-10 µm per 1 mm core length can be used as a guide.

3a zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer asymmetrischen Wippe im Stand der Technik. Über einem Substrat 1 ist eine seismische Masse 10 in Form einer Wippe angeordnet. Die Wippe weist eine Torsionsfederanordnung mit einer Torsionssachse Ty auf. Die Rotationsachse teilt die Wippe in eine leichte Seite mit einem kürzeren Arm und eine schwere Seite mit einem längeren Arm. Die Erstreckung EWx der Wippe in der Erstreckungsrichtung Wx senkrecht zur Torsionssachse ist also asymmetrisch in Bezug auf die Torsionsachse. Als Detektionselektroden sind, symmetrisch zur Torsionsachse, Bodenelektroden 40 auf dem Substrat 1 angeordnet, welche zusammen mit der gegenüberliegenden Wippe Kapazitäten C1 und C2 bilden. Bei diesem Konzept sind lediglich Bodenelektroden und keine Top-Elektroden vorhanden. 3a shows schematically a micromechanical acceleration sensor with an asymmetrical rocker in the prior art. A seismic mass 10 in the form of a seesaw is arranged over a substrate 1 . The rocker has a torsion spring arrangement with a torsion axis Ty. The axis of rotation divides the seesaw into a light side with a shorter arm and a heavy side with a longer arm. The extent EWx of the rocker in the direction of extent Wx perpendicular to the torsion axis is therefore asymmetrical in relation to the torsion axis. Arranged symmetrically to the torsion axis on the substrate 1 as detection electrodes are bottom electrodes 40 which, together with the opposite rocker, form capacitances C1 and C2. This concept only has bottom electrodes and no top electrodes.

3b zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer symmetrischen Wippe im Stand der Technik. Über einem Substrat 1 ist eine seismische Masse 10 in Form einer Wippe angeordnet. Die Wippe weist eine Torsionsfederanordnung mit einer Torsionssachse Ty auf. Die Torsionssachse teilt die Wippe in zwei Seiten mit gleich langen Armen. Die Erstreckung der Wippe senkrecht zur Torsionssachse ist also symmetrisch. Die Massenverteilung in Bezug auf die Torsionssachse ist dennoch asymmetrisch, weil die schwere Seite, bedingt durch unterschiedliche Topologie in z Richtung, mehr Volumen und damit eine größere Masse aufweist. Als Detektionselektroden sind, symmetrisch zur Torsionsachse, Bodenelektroden 40 auf dem Substrat 1 und Top-Elektroden 50 über der Wippe angeordnet, welche zusammen mit der gegenüberliegenden Wippe Kapazitäten C1 und C2 bilden. Bei diesem Konzept können beide Elektrodentypen, Bodenelektroden oder auch Top-Elektroden, vorhanden sein. 3b shows schematically a micromechanical acceleration sensor with a symmetrical rocker in the prior art. A seismic mass 10 in the form of a seesaw is arranged over a substrate 1 . The rocker has a torsion spring arrangement with a torsion axis Ty. The torsion axis divides the seesaw into two sides with arms of equal length. The extent of the seesaw perpendicular to the torsion axis is therefore symmetrical. The mass distribution in relation to the torsion axis is nevertheless asymmetrical because the heavy side, due to the different topology in the z direction, has more volume and thus a greater mass. Arranged as detection electrodes, symmetrically to the torsion axis, are bottom electrodes 40 on the substrate 1 and top electrodes 50 above the seesaw, which together with the opposite seesaw form capacitances C1 and C2. With this concept, both types of electrodes, bottom electrodes or top electrodes, can be present.

4a zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer asymmetrischen Wippe. Die Vorrichtung weist Bodenelektroden 40 auf dem Substrat 1 auf, die symmetrisch zur Rotationsachse (Ry), aber asymmetrisch zur Torsionsachse Ty der Torsionsfederanordnung 20 angeordnet sind. Die Bodenelektroden bilden mit der gegenüberliegenden Wippe jeweils Detektionskapazitäten C1 und C2. 4a shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention in a second embodiment with an asymmetrical rocker. The device has bottom electrodes 40 on the substrate 1, which are arranged symmetrically to the axis of rotation (Ry) but asymmetrically to the torsion axis Ty of the torsion spring assembly 20. The bottom electrodes each form detection capacitances C1 and C2 with the opposite rocker.

4b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer symmetrischen Wippe. Die Vorrichtung weist Bodenelektroden 40 auf dem Substrat 1 und Top-Elektroden über der Wippe auf, die symmetrisch zur Rotationsachse (Ry), aber asymmetrisch zur Torsionsachse Ty der Torsionsfederanordnung 20 angeordnet sind. Die Bodenelektroden und die Top-Elektroden bilden mit der gegenüberliegenden Wippe jeweils Detektionskapazitäten C1 und C2. 4b shows schematically a micromechanical acceleration sensor according to the invention in a third embodiment with a symmetrical rocker. The device has bottom electrodes 40 on the substrate 1 and top electrodes above the seesaw, which are arranged symmetrically to the axis of rotation (Ry) but asymmetrically to the torsion axis Ty of the torsion spring assembly 20. The bottom electrodes and the top electrodes each form detection capacitances C1 and C2 with the opposite rocker.

5a zeigt einen Beschleunigungssensor mit symmetrischer Wippe im Stand der Technik und die 5b bis e zeigen im direkten Vergleich dazu schematisch weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensors mit einer symmetrischen Wippe, wobei die Elektroden auf einer Wippenseite oder alle Elektroden eines Elektrodentyps verschoben wurden.
Dargestellt ist in allen Fällen ein Beschleunigungssensor mit einem Substrat 1 und einer darüber angeordneten seismischen Masse 10 in Gestalt einer symmetrischen Wippe. Die Wippe ist an einer Torsionsfederanordnung 20 aufgehängt und ist drehbar auslenkbar um eine Torsionsachse Ty. Auf dem Substrat sind bodenelektroden 40 angeordnet, welche mit der gegenüberliegenden Wippe Detektionskapazitäten C1 und C2 bilden. Über der Wippe sind Top-Elektroden 50 angeordnet, welche mit der gegenüberliegenden Wippe ebenfalls Detektionskapazitäten C1 und C2 bilden. 5a zeigt einen Beschleunigungssensor mit symmetrischer Wippe im Stand der Technik bei dem die beiden Bodenelektroden und die beiden Top-Elektroden jeweils symmetrisch zur Torsionsachse Ty, das heißt an beiden Seiten mit gleichem Abstand zur Torsionsachse angeordnet sind. 5a shows an acceleration sensor with a symmetrical rocker in the prior art and the 5b 1 to e show, in direct comparison thereto, schematically further exemplary embodiments of a micromechanical acceleration sensor according to the invention with a symmetrical rocker, the electrodes on one side of the rocker or all electrodes of an electrode type being displaced.
In all cases, an acceleration sensor with a substrate 1 and a seismic mass 10 arranged above it in the form of a symmetrical seesaw is shown. The rocker is suspended from a torsion spring arrangement 20 and can be deflected in a rotatable manner about a torsion axis Ty. Ground electrodes 40 are arranged on the substrate, which form detection capacitances C1 and C2 with the opposite rocker. Top electrodes 50 are arranged above the rocker, which also form detection capacitances C1 and C2 with the opposite rocker. 5a shows an acceleration sensor with a symmetrical rocker in the prior art in which the two bottom electrodes and the two top electrodes are each arranged symmetrically with respect to the torsion axis Ty, ie on both sides at the same distance from the torsion axis.

5b zeigt einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit symmetrischer Wippe bei dem, im Vergleich zur Vorrichtung aus 5a, die Bodenelektrode 40 und die Top-Elektrode 50 auf der leichten Seite der Wippe nach außen verschoben angeordnet ist, sodass die beiden Bodenelektroden und die beiden Top-Elektroden jeweils asymmetrisch zur Torsionsachse Ty, aber symmetrisch zur realen Rotationsachse Ry angeordnet sind. 5b shows an acceleration sensor according to the invention with a symmetrical rocker in comparison to the device from FIG 5a , the bottom electrode 40 and the top electrode 50 on the light side of the seesaw are arranged shifted outwards, so that the two bottom electrodes and the two top electrodes are each arranged asymmetrically to the torsion axis Ty, but symmetrically to the real axis of rotation Ry.

5c zeigt einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit symmetrischer Wippe bei dem, im Vergleich zur Vorrichtung aus 5a, die Bodenelektrode 40 und die Top-Elektrode 50 auf der schweren Seite der Wippe nach innen verschoben angeordnet ist, sodass die beiden Bodenelektroden und die beiden Top-Elektroden jeweils asymmetrisch zur Torsionsachse Ty, aber symmetrisch zur realen Rotationsachse Ry angeordnet sind. 5c shows an acceleration sensor according to the invention with a symmetrical rocker in comparison to the device from FIG 5a , the bottom electrode 40 and the top electrode 50 are arranged shifted inwards on the heavy side of the seesaw, so that the two bottom electrodes and the two top electrodes are each arranged asymmetrically to the torsion axis Ty, but symmetrically to the real axis of rotation Ry.

5d zeigt einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit symmetrischer Wippe bei dem, im Vergleich zur Vorrichtung aus 5a, nur die beiden Top-Elektroden 50 in Richtung der leichten Seite der Wippe verschoben angeordnet ist, sodass die Top-Elektroden jeweils asymmetrisch zur Torsionsachse Ty, aber symmetrisch zur realen Rotationsachse Ry angeordnet sind. 5d shows an acceleration sensor according to the invention with a symmetrical rocker in comparison to the device from FIG 5a , only the two top electrodes 50 are arranged shifted in the direction of the light side of the rocker, so that the top electrodes are each arranged asymmetrically to the torsion axis Ty, but symmetrically to the real axis of rotation Ry.

5e zeigt einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit symmetrischer Wippe bei dem, im Vergleich zur Vorrichtung aus 5a, nur die beiden Bodenelektroden 40 in Richtung der leichten Seite der Wippe verschoben angeordnet ist, sodass die Bodenelektroden jeweils asymmetrisch zur Torsionsachse Ty, aber symmetrisch zur realen Rotationsachse Ry angeordnet sind. 5e shows an acceleration sensor according to the invention with a symmetrical rocker in comparison to the device from FIG 5a , only the two bottom electrodes 40 are arranged shifted in the direction of the light side of the seesaw, so that the bottom electrodes are each arranged asymmetrically to the torsion axis Ty, but symmetrically to the real axis of rotation Ry.

BezugszeichenlisteReference List

11
Substratsubstrate
P1P1
erste Siliziumschichtfirst silicon layer
P3P3
zweite Siliziumschichtsecond silicon layer
1010
MasseDimensions
1212
symmetrischer Masseteilsymmetrical mass part
1414
asymmetrischer Masseteilasymmetric mass part
2020
Torsionsfederanordnungtorsion spring assembly
3030
Noppenanschlagpimple stop
4040
Bodenelektrodebottom electrode
5050
Top-Elektrode top electrode
aza.s
Beschleunigung in Richtung zacceleration in direction z
(x,y)(x,y)
Haupterstreckungsebene des SubstratsMain extension plane of the substrate
TyTy
Haupterstreckungsrichtung der TorsionsfederMain extension direction of the torsion spring
RyRy
Rotationsachse der WippeAxis of rotation of the seesaw
RTxRTx
Abstand der Rotationsachse zur Haupterstreckungsrichtung der TorsionsfederDistance of the axis of rotation to the main direction of extension of the torsion spring
WxWx
Erstreckungsrichtung der Wippe senkrecht zur RotationsachseExtension direction of the seesaw perpendicular to the axis of rotation
EWxEWx
Erstreckung der Wippe senkrecht zur RotationsachseExtension of the rocker perpendicular to the axis of rotation

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 0244581 [0002]EP0244581 [0002]
  • EP 0773443 B1 [0002]EP 0773443 B1 [0002]

Claims (3)

Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einem Substrat (1) mit einer Haupterstreckungsebene (x,y) und mit einer seismischen Masse (10) in Form einer Wippe, die über dem Substrat angeordnet ist, wobei die Wippe an einer Torsionsfederanordnung mit wenigstens einer Torsionsfeder (20) drehbar aufgehängt ist, wobei die Torsionsfederanordnung eine Torsionsachse (Ty) parallel zur Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die Wippe, geteilt durch die Torsionsachse, eine leichte Seite und eine schwere Seite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wippe eine Rotationsachse (Ry) aufweist, welche parallel zur Torsionsachse mit einem Abstand (RTx) dazu auf der leichten Seite angeordnet ist und dass wenigstens zwei Detektionselektroden (40, 50) symmetrisch zur Rotationsachse (Ry) und asymmetrisch zur Torsionsachse (Ty) angeordnet sind.Micromechanical acceleration sensor with a substrate (1) with a main extension plane (x,y) and with a seismic mass (10) in the form of a seesaw which is arranged above the substrate, the seesaw being rotatable on a torsion spring arrangement with at least one torsion spring (20). is suspended, the torsion spring arrangement having a torsion axis (Ty) parallel to the main extension plane, the rocker, divided by the torsion axis, having a light side and a heavy side, characterized in that the rocker has an axis of rotation (Ry) which is parallel to the torsion axis is arranged at a distance (RTx) thereto on the easy side and that at least two detection electrodes (40, 50) are arranged symmetrically to the axis of rotation (Ry) and asymmetrically to the torsion axis (Ty). Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektionselektroden wenigstens zwei Bodenelektroden (40) symmetrisch zur Rotationsachse (Ry) und asymmetrisch zur Torsionsachse (Ty) auf dem Substrat (1) unter der Wippe angeordnet sind.Micromechanical acceleration sensor claim 1 , characterized in that as detection electrodes at least two bottom electrodes (40) are arranged symmetrically to the axis of rotation (Ry) and asymmetrically to the torsion axis (Ty) on the substrate (1) under the rocker. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektionselektroden wenigstens zwei Top-Elektroden (50) symmetrisch zur Rotationsachse (Ry) und asymmetrisch zur Torsionsachse (Ty) über der Wippe angeordnet sind.Micromechanical acceleration sensor claim 1 or 2 , characterized in that as detection electrodes at least two top electrodes (50) are arranged symmetrically to the axis of rotation (Ry) and asymmetrically to the torsion axis (Ty) above the rocker.
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