DE102014101448A1

DE102014101448A1 - Beschleunigungsaufnehmer mit niedriger Empfindlichkeit gegenüber thermomechanischer Spannung

Info

Publication number: DE102014101448A1
Application number: DE102014101448.0A
Authority: DE
Inventors: Barbara Simoni; Luca Coronato; Gabriele CAZZANIGA
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2014-08-21
Also published as: US9207254B2; US20140230550A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Struktur (MEMS) und genauer Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Kompensieren der Wirkung thermomechanischer Beanspruchung auf einen mikrobearbeiteten Beschleunigungsaufnehmer durch Einbauen und Einstellen elastischer Elemente, um entsprechende Messelektroden zu koppeln. Messelektroden umfassen bewegliche Elektroden und stationäre Elektroden, die auf einer Prüfmasse bzw. einem Substrat gekoppelt sind. Mindestens ein elastisches Element ist in eine Koppelstruktur eingebaut, die zwei stationäre Elektroden koppelt oder eine stationäre Elektrode mit mindestens einem Anker koppelt. Mehr als ein elastisches Element kann eingebaut sein. Anzahl, Stellen, Gestaltungen und Geometrien der elastischen Elemente sind eingestellt, um einen Ausgangsoffset und eine Empfindlichkeitsdrift zu kompensieren, die durch die thermomechanische Beanspruchung herbeigeführt sind, die in der MEMS-Vorrichtung akkumuliert sind.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Struktur und genauer Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Kompensieren der Wirkung thermomechanischer Spannung, die Offset und Empfindlichkeitsdrift in einer entsprechenden Messausgabe verursacht.
Hintergrund der Erfindung
Eine mikroelektromechanische Struktur (MEMS) wird verbreitet als Sensor zur Messung von Beschleunigung, Drehung, Druck und vielen anderen physikalischen Parametern eingesetzt. Die MEMS-Vorrichtung wird normalerweise auf einem Silizium-Substrat unter Verwendung eines Mikrobearbeitungs-Verfahrens ausgebildet und verfügt somit über charakteristische Strukturgrößen von einigen Mikrometern. Solche miniaturisierten Vorrichtungen wandeln mechanische Bewegung in elektrische Signale um, die den Pegel der interessierenden Parameter anzeigen können. Zu Beispielen der MEMS-Vorrichtung gehören Beschleunigungsaufnehmer, Gyroskope, Magnetometer und Drucksensoren. Verschiedene MEMS-Vorrichtungen wurden weitverbreitet in Anwendungen eingesetzt, die von üblichen Konsumgütern bis zu spezialisierten Produkten reichen, die unter extremen Umgebungsbedingungen benutzt werden, und heutzutage kann man sie leicht in Fahrzeugteilen, Mobiltelefonen, Spiel-Vorrichtungen, medizinischen Geräten und militärischen Anwendungen finden.
Viele MEMS-Vorrichtungen beruhen auf kapazitivem Messen zwischen einer beweglichen Elektrode und einer stationären Elektrode, und ein Beispiel solcher MEMS-Vorrichtungen ist ein mikrobearbeiteter Beschleunigungsaufnehmer. Der Beschleunigungsaufnehmer umfasst eine Prüfmasse, die über einem Siliziumsubstrat aufgehängt ist, und reagiert auf Beschleunigung bezüglich einer bestimmten Messachse. Die bewegliche Elektrode und die stationäre Elektrode sind an die Prüfmasse bzw. an das stationäre Substrat der Vorrichtung gekoppelt. Bei Beschleunigung erfährt die bewegliche Elektrode eine relative Ortsveränderung bezüglich der stationären Elektrode, was zu einer kapazitiven Änderung des zwischen diesen beiden Elektroden ausgebildeten Messkondensators führt. Genauer kann die kapazitive Änderung durch Änderung des kapazitiven Spalts oder der Fläche des Messkondensators herbeigeführt sein, die mit der relativen Ortsveränderung zwischen den Elektroden verknüpft ist. In vielen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wird dieser Messkondensator bezüglich eines weiteren Referenzkondensators überwacht, dessen Kapazität unabhängig von dem Maß der Beschleunigung auf einem konstanten Wert gehalten ist.
Thermomechanische Spannung kann eine innewohnende Fehlanpassung zwischen dem Mess- und dem Referenzkondensator einbringen und letztlich zu Offset oder Empfindlichkeitsdrift an einer Messausgabe führen, auch wenn noch keine Beschleunigung anliegt, um eine kapazitive Änderung zu verursachen. In einer idealen Situation sollte die kapazitive Änderung des Messkondensators nur mit der Beschleunigung verknüpft sein und nicht vorhanden sein, wenn keine Beschleunigung beteiligt ist. Jedoch kann thermomechanische Spannung in der MEMS-Vorrichtung im Laufe von Fertigung, Löten, Gehäusemontage und Alterung der Vorrichtung akkumuliert werden. Ungleichmäßige Spannung baut sich im Substrat und in der Struktur der Vorrichtung auf, die die aufgehängte Prüfmasse enthält, und verursacht unvermeidlich, dass sich das Substrat verzieht und sich die Prüfmasse verschiebt oder kippt. In seltenen Fällen beeinflusst die thermische Spannung den Mess- und den Referenzkondensator gleichermaßen, sodass sich ihre Spalt- und Flächenänderungen zufällig aufheben und zu keiner Kapazitätsfehlanpassung zwischen den Kondensatoren führen würden. In den meisten Fällen beeinflusst die thermische Spannung den Mess- und den Referenzkondensator unterschiedlich. Verschiedene Strukturen, einschließlich der beweglichen und stationären Elektroden, sind unterschiedlichen Verschiebungen unterworfen. Die Messausgabe von einem Sensor-Schnittstellenschaltkreis kann solche Verschiebungen wiedergeben, die sich aus der ungleichmäßigen thermischen Spannung ergeben, und zu einem Offsetwert und einer Empfindlichkeitsdrift für die gemessene Beschleunigung führen.
Offensichtlich ist die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung eines kapazitiven Beschleunigungsaufnehmers aufgrund der thermomechanischen Spannung beeinträchtigt. Eine solche Verschlechterung der Leistungsfähigkeit ist den MEMS-Vorrichtungen gemeinsam, die sich primär auf aufgehängte Prüfmassen und kapazitive Elektroden zum Umwandeln und Messen mechanischer Bewegung stützen. Es besteht Bedarf, die thermomechanische Spannung zu kompensieren, die sich im Laufe von Fertigung, Gehäusemontage, Zusammenbau und normalem Betrieb aufbaut.
Zusammenfassung der Erfindung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine mikroelektromechanische Struktur (MEMS) und genauer Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Kompensieren der Wirkung thermomechanischer Spannung auf einen mikrobearbeiteten Beschleunigungsaufnehmer durch Einbauen und Einstellen elastischer Elemente in Koppelstrukturen, die zum Koppeln stationärer Elektroden verwendet sind. Die elastischen Elemente ermöglichen effektiv die Kompensation eines Ausgabeoffsets und einer Empfindlichkeitsdrift, die mit einer relativen Elektrodenpositionsänderung verknüpft sind, und eine solche Änderung ist hauptsächlich durch die thermomechanische Spannung herbeigeführt, die in der MEMS-Vorrichtung akkumuliert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die MEMS-Vorrichtung mindestens ein elastisches Element auf einer Koppelstruktur, die die stationäre Elektrode mit mindestens einem Anker auf einem Substrat koppelt. Messelektroden der MEMS-Vorrichtung umfassen eine bewegliche Elektrode und die stationäre Elektrode, die auf einer Prüfmasse bzw. dem Substrat gekoppelt sind. Nach dem Stand der Technik behält die stationäre Elektrode normalerweise eine starre mechanische Anordnung und ist mit dem Substrat über eine starre Koppelstruktur gekoppelt, sodass die stationäre Elektrode nicht empfänglich für mechanische Spannung oder Trägheitsbewegung ist. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das elastische Element in die Koppelstruktur eingebaut, um die Koppelstruktur teilweise oder vollständig zu ersetzen. Das elastische Element ist an einer bestimmten Position der Koppelstruktur gekoppelt, und die Anordnung und Geometrie kann weiter eingestellt sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die MEMS-Vorrichtung mehr als eine stationäre Elektrode umfassen. Elastische Elemente sind an die Koppelstrukturen gekoppelt, die zum Koppeln der stationären Elektroden an Anker und/oder zum Koppeln von Elektroden verschiedener stationärer Elektrodensätze untereinander verwendet sind. Außer den Positionen, Anordnungen und Geometrien wird auch die Anzahl der elastischen Elemente eingestellt, um die unter dem Einfluss der thermomechanischen Spannung herbeigeführte Änderung der relativen Elektrodenpositionen zu kompensieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die in der MEMS-Vorrichtung enthaltenen stationären Elektroden gemäß dem Einfluss der thermomechanischen Spannung in Elektrodensätze gruppiert. Elastische Elemente sind an die Koppelstrukturen gekoppelt, die zum Koppeln der Elektrodensätze an das Substrat und/oder zum Koppeln von Elektroden innerhalb eines Elektrodensatzes untereinander verwendet sind.
Bestimmte Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden in diesem zusammenfassenden Abschnitt allgemein beschrieben; zusätzliche Eigenschaften, Vorteile und Ausführungsformen werden hier vorgestellt oder sind für einen Fachmann angesichts der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche offensichtlich. Demgemäß sollte einzusehen sein, dass der Umfang der Erfindung durch die in diesem zusammenfassenden Abschnitt offenbarten Ausführungsformen nicht eingeschränkt sein soll.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun wird auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Figuren dargestellt sein können. Diese Figuren sollen nur veranschaulichend, nicht einschränkend sein. Obwohl die Erfindung allgemein im Kontext dieser Ausführungsformen beschrieben ist, versteht es sich, dass nicht beabsichtigt ist, den Umfang der Erfindung auf diese besonderen Ausführungsformen zu beschränken.
1 stellt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer MEMS-Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar.
2A stellt eine beispielhafte Zeichnung einer MEMS-Vorrichtung, die innerhalb ihrer zentralen Öffnung Verankert ist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar.
2B stellt eine beispielhafte Zeichnung eines elastischen Elements, das eine besondere Gestaltung annimmt, d. h. einen Umweg, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
3A und 3B stellen beispielhafte Anordnungen stationärer Elektroden, die unter Verwendung elastischer Elemente mit Ankern auf einem Substrat gekoppelt sind, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar.
4 stellt eine beispielhafte Zeichnung einer MEMS-Vorrichtung, die um einen Umfang verankert ist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar.
5 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kompensieren thermomechanischer Spannung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der folgenden Beschreibung sind zum Zweck der Erläuterung besondere Einzelheiten dargelegt, um das Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Einem Fachmann wird jedoch offensichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese Einzelheiten umgesetzt werden kann. Ein Fachmann wird erkennen, dass unten beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Vielfalt von Weisen und unter Verwendung einer Vielfalt von Mitteln ausgeführt werden können. Fachleute werden auch erkennen, dass zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen in ihrem Umfang liegen, ebenso zusätzliche Gebiete, auf denen die Erfindung Nutzen bringen kann. Demgemäß sind die unten beschriebenen Ausführungsformen erläuternd für besondere Ausführungsformen der Erfindung und sind dazu gedacht, ein Verschleiern der Erfindung zu vermeiden.
Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes besonderes Merkmal, ein Aufbau, eine Eigenschaft oder Funktion in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Das Erscheinen des Ausdrucks „in einer Ausführungsform” oder dergleichen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung muss sich nicht unbedingt immer auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
Weiter sind Verbindungen zwischen Bauteilen oder zwischen Verfahrensschritten in den Figuren nicht auf Verbindungen beschränkt, die direkt ausgeführt sind. Stattdessen können in den Figuren dargestellte Verbindungen zwischen Bauteilen oder Verfahrensschritten abgeändert oder anderweitig durch Hinzufügen von Zwischen-Bauteilen oder -Verfahrensschritten verändert werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
1 stellt ein beispielhaftes Blockdiagramm 100 einer MEMS-Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar. Die MEMS-Vorrichtung umfasst eine Prüfmasse 102 und mehrere Messelektroden, die weiter mindestens eine bewegliche Elektrode 104 und eine stationäre Elektrode 106 umfassen. Die Prüfmasse 102 ist oberhalb eines Substrats aufgehängt und reagiert auf Trägheitsbewegung der MEMS-Vorrichtung 100, wie etwa Beschleunigung und Drehung, durch Verschieben und Kippen bezüglich ihrer Nennposition. Die bewegliche Elektrode 104 ist an der Prüfmasse 102 angebracht und kapazitiv mit den stationären Elektroden 106 gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind elastische Elemente 110 eingebaut, um die stationären Elektroden 106 mit Ankern 108 auf dem Substrat mechanisch zu koppeln. Diese elastischen Elemente 110 sind ferner eingestellt, Auswirkung thermomechanischer Spannung auf die MEMS-Vorrichtung 100 zu kompensieren, während sie ihre Empfindlichkeit gegenüber Trägheitsbewegung nicht beeinträchtigen.
Bewegung der Prüfmasse 102 wird auf die bewegliche Elektrode 104 übertragen und ergibt eine Änderung einer relativen Position zwischen der beweglichen Elektrode 104 und den stationären Elektroden 106. In 1 ist ein einfaches Masse-Feder-Dämpfungs-System (M-k-R) angewendet, um den Mechanismus betreffs der Reaktion der Prüfmasse 102 auf die Trägheitsbewegung darzustellen. Als Reaktion auf eine bestimmte Beschleunigung verschiebt sich die Prüfmasse 102 bei einem bestimmten Dämpfungsniveau um eine Strecke x. In einer Ausführungsform verursacht eine solche Verschiebung eine Spaltänderung zwischen der beweglichen Elektrode 104 und den stationären Elektroden 106, während in einer anderen Ausführungsform die Verschiebung mit einer Änderung überlappender Flächen zwischen diesen Elektroden verknüpft sein kann. Wenn die Elektroden kapazitiv an einen Schnittstellen-Ausgabeschaltkreis gekoppelt sind, wird die Änderung der relativen Elektrodenposition elektrisch in eine Messausgabe umgewandelt, die einen Betrag entsprechender Trägheitsparameter, wie etwa Beschleunigung und Drehgeschwindigkeit, angibt.
Obwohl die Änderung der relativen Elektrodenposition vorzugsweise nur mit der Trägheitsbewegung verknüpft ist, kann sie durch andere Störungen herbeigeführt werden, darunter thermomechanische Spannung, die in der MEMS-Vorrichtung 100 akkumuliert sind. Aufgrund der thermomechanischen Spannung kann sich das Substrat verziehen, und die Prüfmasse 102 kann sich verformen, was zu kleineren Verschiebungen der beweglichen und stationären Elektroden führen kann. Ebenso verändert sich die relative Elektrodenposition zwischen diesen Elektroden, und weiter kann solche spannungsbedingte Änderung der relativen Elektrodenposition unerwünscht als Ausgabe-Offset in die Messausgabe eingehen und eine Empfindlichkeitsdrift für den gemessenen Trägheitsparameter verursachen.
Um die Wirkung der thermomechanischen Spannung zu kompensieren, ist jedes elastische Element 110 eingebaut, um teilweise oder vollständig eine Koppelstruktur zu ersetzen, die verwendet ist, um eine stationäre Elektrode 106 zu koppeln. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elastische Element 110 in die Koppelstruktur eingebaut, die die stationäre Elektrode 106 und einen entsprechenden Anker 108 auf dem Substrat koppelt; jedoch ist in einigen Ausführungsformen das elastische Element 110 auch in die Koppelstruktur eingebaut, die zwei stationäre Elektroden 106 koppelt.
Nach dem Stand der Technik halten solche stationäre Elektroden 106 und Koppelstrukturen normalerweise eine starre mechanische Anordnung ein, um ihre Empfänglichkeit für Trägheitsbewegung oder andere mögliche Störungen zu reduzieren. Jedoch können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung elastische Elemente 110 flexibel angewendet werden, um ein gewisses Ausmaß an mechanischer Elastizität einzuführen. Mehr als ein elastisches Element 110 kann bei einer einzelnen Koppelstruktur oder verschiedenen Koppelstrukturen angewendet werden. Jedes elastische Element 110 ist an eine bestimmte Position an der Koppelstruktur der stationären Elektrode 106 gesetzt. Die Position, Gestaltung und Geometrie jedes elastischen Elements sind so gesteuert, dass es eine gewünschte mechanische Eigenschaft bietet. Die mechanische Eigenschaft ermöglicht den elastischen Elementen 110, die stationären Elektroden 106 im Laufe von Fertigung, Zusammenbau und Verwendung der MEMS-Vorrichtung zu verschieben und im Wesentlichen akute oder chronische Wirkungen der thermomechanischen Spannung zu kompensieren.
Die elastischen Elemente 106 sind so gesteuert, dass sie im Wesentlichen unempfindlich gegen Trägheitsbewegung sind, die die MEMS-Vorrichtung 100 erfassen soll. Aufgrund einer solchen Empfindlichkeitsanforderung müssen die elastischen Elemente 110 speziell gestaltet und angeordnet sein, um ihre Empfindlichkeiten gegenüber der Trägheitsbewegung und der thermomechanischen Spannung zu unterscheiden. Es ist Fachleuten offensichtlich, dass die Flexibilität der elastischen Elemente 110 bedeutend niedriger ist als das k derjenigen elastischen Elemente der Masse, die angewendet sind, um die Prüfmasse 102 aufzuhängen.
In einigen Ausführungsformen sind die elastischen Elemente 110 getrennt gestaltet. Ort, Gestaltung und Geometrie für jedes elastische Element sind so bestimmt, dass die thermomechanische Spannung wirksam kompensiert wird, die in der MEMS-Vorrichtung 100 möglicherweise nicht gleichmäßig oder symmetrisch ist. Die genauen Positionen der elastischen Elemente 110 können bei den mit den stationären Elektroden 106 verknüpften Koppelstrukturen verschieden und asymmetrisch sein. Ebenso können die Gestaltungen und Geometrien bei den elastischen Elementen 110 verschieden sein. Daher können die elastischen Elemente 110 einzeln angeordnet sein, um die thermomechanische Spannung wirksam zu kompensieren, unabhängig davon, ob die stationären Elektroden 106 identisch oder symmetrisch sind.
2A stellt eine beispielhafte Zeichnung 200 einer MEMS-Vorrichtung, die innerhalb ihrer Öffnung verankert ist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar. Eine Prüfmasse 202 ist mechanisch mit Ankern auf einem Substrat gekoppelt, aber oberhalb des Substrats unter Verwendung elastischer Elemente 220 aufgehängt. An der Prüfmasse 202 sind bewegliche Elektroden 204 angebracht, die Trägheitsbewegungen folgen können, die die Prüfmasse 202 erfährt. Die beweglichen Elektroden 204 sind weiter mit stationären Elektroden 206 gekoppelt, die an Ankern 208 verankert sind. Koppelstrukturen 240 sind nicht nur verwendet, um zwei stationäre Elektroden 206 zu koppeln, sondern auch um eine stationäre Elektrode 206 mit einem Anker 208 zu koppeln. Mindestens eine der Koppelstrukturen 240 enthält teilweise ein elastisches Element 210 zum Zwecke des Kompensierens thermomechanischer Spannung oder besteht vollständig daraus.
In dieser Ausführungsform ist die Prüfmasse 202 kein massiver Körper, sondern eine Struktur, die in einem bestimmten Bereich eine Öffnung enthält. Der bestimmte Bereich ist vorzugsweise in einem zentralen Bereich der Prüfmasse 202 angeordnet, obwohl es nicht erforderlich ist, dass er so angeordnet ist. Die Elektroden, Anker, Koppelstrukturen und elastischen Elemente sind in dieser Öffnung angeordnet und durch die Prüfmasse 202 umschlossen.
In dieser Ausführungsform sind die stationären Elektroden 206 in vier Elektrodensätzen gruppiert, die nicht unbedingt symmetrisch bezüglich ihrer Anker 208 angeordnet sind. Jeder Elektrodensatz ist unter Verwendung mindestens eines elastischen Elements 210 unabhängig gekoppelt, und die Geometrie jedes elastischen Elements 210 kann nach Bedarf eingestellt sein. Ein beispielhaftes elastisches Element 210' kann eine Breite oder eine Länge aufweisen, die nicht mit derjenigen der entsprechenden Koppelstruktur 240 übereinstimmt. In einigen Ausführungsformen müssen die elastischen Elemente 210 keine gleichförmige Geometrie annehmen, und ihre Breiten können entlang ihren Längen in verschiedenen Winkeln abgeschrägt sein.
2B stellt eine beispielhafte Zeichnung 250 eines elastischen Elements 210C, das eine besondere Gestaltung annimmt, d. h. einen Umweg, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar. Die Größe, Position und Form des Umwegs sind gemäß der spannungsbedingten Änderung des relativen Elektrodenorts bestimmt. In einer Ausführungsform kann mehr als ein Umweg angewendet sein, um einen Satz stationärer Elektroden zu koppeln. In einer weiteren Ausführungsform sind verschiedene Umwege für zwei getrennte Sätze stationärer Elektroden verwendet, und diese Umwege können verschiedene Größen, Formen oder Positionen aufweisen. Die Anzahl der Umwege ist ebenfalls gemäß der Auswirkung der thermomechanischen Spannung und der Gestaltung der elastischen Elemente bestimmt.
3A und 3B stellen beispielhafte Anordnungen 300 und 350 stationärer Elektroden, die unter Verwendung elastischer Elemente mit Ankern auf einem Substrat gekoppelt sind, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar. Dieselben stationären Elektroden 206 in 2A sind für Messzwecke angewendet, und sie sind immer noch in vier Elektrodensätze gruppiert. Anders als in 2A sind die Elektrodensätze in 3A und 3B nicht unabhängig mit den Ankern gekoppelt, sondern untereinander kreuzgekoppelt, bevor sie mit den Ankern gekoppelt sind. In 3A sind die oberen beiden stationären Elektrodensätze unter Verwendung einer starren Koppelstruktur gekoppelt und weiter unter Verwendung eines elastischen Elements 310A mit einem Anker 308A gekoppelt. In 3B sind die oberen beiden stationären Elektrodensätze und ein Anker 308B unter Verwendung eines T-förmigen elastischen Elements 310B gekoppelt. In beiden Anordnungen 300 und 350 können die unteren beiden Elektrodensätze ähnliche Anordnungen wie die entsprechenden beiden oberen Elektrodensätze annehmen oder unabhängig gestaltet sein.
Ein Fachmann weiß, dass die Anzahl der Elektrodensätze und die Kopplungsanordnung durch die Auswirkung der thermomechanischen Spannung bestimmt sind. 2A, 3A und 3B sind beispielhafte Anordnungen, die angewendet sind, um zu zeigen, dass Orte, Gestaltungen und Geometrien elastischer Elemente für eine wirksame Spannungskompensation flexibel eingestellt sein können. Die Offenbarung der Erfindung ist nicht auf die erwähnten Ausführungsformen beschränkt.
4 stellt eine beispielhafte Zeichnung 400 einer MEMS-Vorrichtung, die um einen Umfang einer Prüfmasse verankert ist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar. Die MEMS-Vorrichtung 400 umfasst eine Prüfmasse 402, bewegliche Elektroden 404, stationäre Elektroden 406, Anker 408 und elastische Elemente 410. In dieser Ausführungsform sind die Elektroden, Anker, Koppelstrukturen und elastischen Elemente um den Umfang der Prüfmasse 402 angeordnet und umschließen diese. Die Prüfmasse 402 ist unter Verwendung elastischer Elemente 420 der Masse mit einem Substrat mechanisch gekoppelt, und diese elastischen Elemente 420 der Masse sind an zwei gegenüberliegenden Kanten der Prüfmasse 402 angebracht. Die beweglichen Elektroden 404 sind an den anderen beiden gegenüberliegenden Kanten der Prüfmasse 402 angebracht.
Die stationären Elektroden 406 sind in zwei Elektrodensätzen auf zwei Seiten der Prüfmasse 402 gruppiert. Jeder Elektrodensatz ist mit zwei entsprechenden Ankern 408 über ein gewinkeltes elastisches Element 410 und eine gerade Koppelstruktur 440 gekoppelt. Obwohl die Koppelstruktur 440 normalerweise starr ist, ist das elastische Element 410 flexibel. Die Steifheit des elastischen Elements 410 ist durch Ändern seiner Gestaltung und Geometrie einstellbar. In dieser Ausführungsform ist das elastische Element 410 zu einem Winkel von 90 Grad entsprechend der Form der Prüfmasse 402 gebogen, und die Breite des elastischen Elements 410 ist geringer als diejenige der Koppelstruktur 440. Obwohl vier elastische Elemente 410 symmetrisch angewendet sind, weiß ein Fachmann, dass Anzahl, Positionen, Geometrien und Gestaltungen dieser elastischen Elemente 410 einstellbar sind, solange die in der MEMS-Vorrichtung 400 akkumulierte thermomechanische Spannung besser kompensiert werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann ein elastisches Element 410' auf der Koppelstruktur 440 zwischen zwei stationären Elektroden 406 angeordnet sein. Das elastische Element 410' befindet sich nicht unbedingt in enger Nähe zu den Ankern 408 und kann dennoch gezielte und ortsgebundene Kompensation für die spannungsbedingte Änderung der relativen Elektrodenposition nahe einem entsprechenden Elektrodenbereich wirksam vorsehen.
Wie oben beschrieben, sind die elastischen Elemente 420 der Masse und die elastischen Elemente 410 unterschiedlich gestaltet, um verschiedene Ziele zu erreichen. Die elastischen Elemente 420 der Masse sind so angeordnet, dass sie erwünschte Reaktion auf Trägheitsbewegung für die MEMS-Vorrichtung 400 vorsehen. Dagegen müssen die elastischen Elemente 410 so gesteuert sein, dass sie die thermomechanische Spannung kompensieren, aber immun gegen die Auswirkung der Trägheitsbewegung sind. Als Ergebnis können die elastischen Elemente 410 im Wesentlichen steifer sein als die elastischen Elemente 420 der Masse.
5 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm 500 eines Verfahrens zum Kompensieren thermomechanischer Spannung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der Erfindung dar. Die thermomechanische Spannung verursacht Änderung einer relativen Elektrodenposition eines Messkondensators in einer MEMS-Vorrichtung. Dieses Verfahren 500 ist angewendet, um die spannungsbedingte Änderung der relativen Elektrodenposition durch Einstellen einer Position von Messelektroden, und insbesondere einer stationären Elektrode, zu kompensieren. In Schritt 502 wird die stationäre Elektrode mit einer beweglichen Elektrode gekoppelt, die an einer Prüfmasse in der MEMS-Vorrichtung angebracht ist. Die stationären und beweglichen Elektroden bilden Messelektroden des Messkondensators. Bewegung der Prüfmasse führt zu einer kapazitiven Änderung des Messkondensators, die weiter in eine Messausgabe umgewandelt wird. In einigen Ausführungsformen ist die Messausgabe mit einem Trägheitsparameter, wie etwa einer Beschleunigung und einer Drehgeschwindigkeit, verknüpft, wenn die MEMS-Vorrichtung Bestandteil eines Beschleunigungsaufnehmers oder eines Gyroskops ist.
In Schritt 504 wird der Grad der thermomechanischen Spannung der Struktur bestimmt. In einer Ausführungsform werden empirische oder simulierte thermomechanische Spannungsgrade für verschiedene Vorrichtungen aufgezeichnet, die gemäß einem bestimmten Verfahren hergestellt, gehäusemontiert und zusammengebaut werden. Diese empirischen oder simulierten thermomechanischen Spannungsgrade werden unter Verwendung eines Monte-Carlo-Verfahrens analysiert, um einen Nenngrad der Spannung vorzusehen, der dazu benutzt werden kann, die elastischen Elemente zu gestalten.
In Schritt 506 wird der Grad der thermomechanischen Spannung umgewandelt, um einen Offsetwert und eine Empfindlichkeitsdrift der Messausgabe zu bestimmen. Ein solcher Offsetwert und solche Empfindlichkeitsdrift werden mit dem Grad der thermomechanischen Spannung verknüpft. In Schritt 508 wird mindestens ein elastisches Element eingebaut, um die stationäre Elektrode zu koppeln, und insbesondere mit einer weiteren stationären Elektrode oder mit einem Anker auf dem Substrat. In Schritt 510 werden Position, Geometrie und Gestaltung jedes Elements gemäß den Ansprüchen eingestellt, um den Offset und die Empfindlichkeitsdrift zu kompensieren.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden mehr als ein elastisches Element angewendet, und die elastischen Elemente können verschiedene Breiten, Längen und Formen annehmen oder einen oder eine Anzahl von Umwegen enthalten. In Schritt 512 wird, wenn mehr als ein elastisches Element angewendet wird, auch die Anzahl der elastischen Elemente eingestellt, um den Offset und die Empfindlichkeitsdrift besser zu kompensieren.
Einem Fachmann ist es offensichtlich, dass die in dieser Erfindung offenbarte Spannungskompensationstechnik verbreitet bei den MEMS-Strukturen in verschiedenen Sensoranwendungen anwendbar ist. Eine typische Anwendung ist ein Einachsen-Trägheitssensor, wie etwa ein Beschleunigungsaufnehmer oder ein Gyroskop. Diese Technik ist einfach umzusetzen, kann jedoch wirksam die Änderung der relativen Elektrodenposition kompensieren, die durch die thermomechanische Spannung verursacht wird. Als Ergebnis kann die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verbessert sein, insbesondere für den Ausgabeoffset und die Empfindlichkeitsdrift der gemessenen Trägheitsparameter, wie etwa Beschleunigung und Drehgeschwindigkeit.
Während die Erfindung empfänglich für verschiedene Abänderungen und alternative Formen ist, wurden besondere Beispiele davon in der Zeichnung gezeigt und sind hier genauer beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die besonderen offenbarten Formen beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil soll die Erfindung alle Abänderungen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Umfang der angehängten Ansprüche fallen.

Claims

Mikrobearbeiteter Trägheitssensor, umfassend: eine Prüfmasse, die oberhalb eines Substrats aufgehängt ist, und an der eine bewegliche Elektrode angebracht ist; eine stationäre Elektrode, die elektrisch mit der beweglichen Elektrode gekoppelt ist, wobei die stationäre Elektrode mit der beweglichen Elektrode einen Messkondensator bildet, sodass Bewegung der Prüfmasse zu einer kapazitiven Änderung des Messkondensators führt, die weiter in eine Messausgabe umgewandelt wird; und wobei die stationäre Elektrode mit mindestens einem Anker auf dem Substrat über eine Koppelstruktur gekoppelt ist, die mindestens ein elastisches Element enthält, wobei Position, Geometrie und Gestaltung des mindestens einen elastischen Elements eingestellt sind, um die Auswirkung thermomechanischer Spannung auf den Messkondensator zu kompensieren.
Mikrobearbeiteter Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei die Prüfmasse eine Öffnung enthält und die stationäre Elektrode, die bewegliche Elektrode, der mindestens eine Anker, die Koppelstruktur und das mindestens eine elastische Element durch die Prüfmasse umschlossen sind.
Mikrobearbeiteter Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei die stationäre Elektrode, die bewegliche Elektrode, der mindestens eine Anker, die Koppelstruktur und das mindestens eine elastische Element mit einem Umfang der Prüfmasse gekoppelt sind.
Mikrobearbeiteter Trägheitssensor nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine elastische Element gewinkelt ist, um dem Umfang zu entsprechen.
Mikrobearbeiteter Trägheitssensor nach Anspruch 1, wobei eine Breite und eine Länge des mindestens einen elastischen Elements eingestellt sind.
Mikrobearbeiteter Trägheitssensor nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine elastische Element eine ungleichmäßige Geometrie annimmt, bei der die Breite entlang der Länge abgeschrägt ist.
Mikrobearbeiteter Trägheitssensor nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine elastische Element eine Umwegstruktur enthält, wobei eine Größe, Position und Form des Umwegs gemäß der Auswirkung der thermomechanischen Spannung bestimmt sind.
Verfahren zum Kompensieren thermomechanischer Spannung, die sich in einer mikroelektromechanischen Struktur angesammelt hat, umfassend die folgenden Schritte: Koppeln einer stationären Elektrode mit einer beweglichen Elektrode, die an einer Prüfmasse angebracht ist, wobei die stationäre Elektrode mit der beweglichen Elektrode einen Messkondensator bildet, sodass Bewegung der Prüfmasse zu einer kapazitiven Änderung des Messkondensators führt, die weiter in eine Messausgabe umgewandelt wird; Bestimmen eines Niveaus der thermomechanischen Spannung, die in der Struktur akkumuliert ist und sich auf den Messkondensator auswirkt; Bestimmen eines Offsetwerts und einer Empfindlichkeitsdrift, die mit der Messausgabe gemäß dem Niveau der thermomechanischen Spannung verknüpft sind; Einbauen mindestens eines elastischen Elements in eine Koppelstruktur, die die stationäre Elektrode mit mindestens einem Anker auf einem Substrat koppelt, und Einstellen von Position, Geometrie und Gestaltung des mindestens eines elastischen Elements, um den Offsetwert und die Empfindlichkeitsdrift zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Prüfmasse eine Öffnung enthält und die stationäre Elektrode, die bewegliche Elektrode, der mindestens eine Anker, die Koppelstruktur und das mindestens eine elastische Element durch die Prüfmasse umschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Breite und eine Länge des mindestens einen elastischen Elements eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das mindestens eine elastische Element eine ungleichmäßige Geometrie annimmt, bei der die Breite entlang der Länge abgeschrägt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das mindestens eine elastische Element eine Umwegstruktur enthält, wobei eine Größe, Position und Form des Umwegs gemäß der Auswirkung der thermomechanischen Spannung bestimmt sind.
Mikroelektromechanische Struktur, die thermomechanische Spannung kompensiert, umfassend: eine Prüfmasse, die oberhalb eines Substrats aufgehängt ist, und an der eine bewegliche Elektrode angebracht ist; eine Vielzahl von stationären Elektroden, die elektrisch mit der mindestens einen beweglichen Elektrode gekoppelt sind, wobei die Vielzahl von stationären Elektroden mit der mindestens einen beweglichen Elektrode mindestens einen Messkondensator bildet, sodass Bewegung der Prüfmasse zu einer kapazitiven Änderung des mindestens einen Messkondensators führt; und wobei eine Vielzahl von Koppelstrukturen verwendet ist, um die Vielzahl von stationären Elektroden untereinander und mit mindestens einem Anker auf dem Substrat zu koppeln, wobei eine Vielzahl von elastischen Elementen in mindestens eine aus der Vielzahl von Koppelstrukturen eingebaut ist, wobei Position, Geometrie und Gestaltung jedes elastischen Elements und die Gesamtzahl von elastischen Elementen in der Vielzahl von elastischen Elementen eingestellt sind, um die Auswirkung thermomechanischer Spannung auf den mindestens einen Messkondensator zu kompensieren.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl von stationären Elektroden zu einer Vielzahl von Elektrodensätzen gruppiert ist, wobei mindestens ein elastisches Element in der Vielzahl von elastischen Elementen in eine erste Koppelstruktur eingebaut ist, die einen aus der Vielzahl von Elektrodensätzen mit dem mindestens einen Anker koppelt.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl von stationären Elektroden zu einer Vielzahl von Elektrodensätzen gruppiert ist, wobei zwei Elektrodensätze in einer Vielzahl von Elektrodensätzen durch eine zweite Koppelstruktur gekoppelt sind, um die Auswirkung der thermomechanischen Spannung zu reduzieren, wobei die gekoppelten beiden Elektrodensätze weiter über eine dritte Koppelstruktur, die an der zweiten Koppelstruktur angebracht ist, mit dem Substrat gekoppelt sind.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 15, wobei mindestens ein elastisches Element in der Vielzahl von elastischen Elementen in mindestens eine Koppelstruktur aus der zweiten und der dritten Koppelstruktur eingebaut ist.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 13, wobei die Prüfmasse eine Öffnung enthält und die Vielzahl von stationären Elektroden, die Vielzahl von beweglichen Elektroden, der mindestens eine Anker, die Vielzahl von Koppelstrukturen und die Vielzahl von elastischen Elementen durch die Prüfmasse umschlossen sind.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 13, wobei eine Breite und eine Länge jedes elastischen Elements eingestellt sind.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 13, wobei mindestens ein elastisches Element eine ungleichmäßige Geometrie annimmt, bei der eine Breite entlang einer Länge abgeschrägt ist.
Mikroelektromechanische Struktur nach Anspruch 13, wobei mindestens ein elastisches Element eine Umwegstruktur enthält, wobei eine Größe, Position und Form des Umwegs gemäß der Auswirkung der thermomechanischen Spannung bestimmt sind.