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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikroelektromechanischen Inertialsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Mikroelektromechanische Inertialsensoren sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Das Messprinzip solcher Sensoren beruht darauf, dass sich die bei einer Linearbeschleunigung oder Drehung auftretenden Trägheitskräfte durch die Auslenkung einer seismischen Masse detektieren lassen. Um die Auslenkung in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wird beispielsweise eine mit der federnd gelagerte seismischen Masse (Massenschwinger) verbundene Elektrode (Massenelektrode) zwischen zwei substratfesten Elektroden (Substratelektroden) angeordnet. Die Auslenkung des Massenschwingers führt zu einer Abstandsänderung des ersten Elektrodenpaars (d.h. zwischen erster Substratelektrode und Massenelektrode) und einer Abstandsänderung des zweiten Elektrodenpaars (zweite Substratelektrode und Massenelektrode) und damit zu einer Änderung der Kapazitäten C
1 und C
2 der beiden Elektrodenpaare. Zur Messung dieser Kapazitätsänderungen werden die Substratelektroden auf Potentiale V
s und -V
s (d.h. entgegengesetzter Polarität) gesetzt und das Potential V
0 der Massenelektrode bestimmt. Bei perfektem Ladungsausgleich (d.h. ohne parasitäre Verluste) sind die durch die Kapazitätsänderungen verursachten Ladungsverschiebungen beider Elektrodenpaare gleich groß und zwischen V
0 und V
s besteht ein linearer Zusammenhang, der sich wiederum durch die Verschiebung Δx des Massenelektrode ausdrücken lässt:
Dabei ist g
0 der Abstand zwischen den beiden Substratelektroden. Zusätzlich ist bei perfektem Ladungsausgleich die Kraft, die die erste Substratelektrode auf die Massenelektrode ausübt, gleich groß und entgegengesetzt zur Kraft, die die zweite Substratelektrode auf die Massenelektrode ausübt. Unabhängig von der Verschiebung heben sich also die von den Substratelektroden ausgeübten Kräfte vollständig auf, so dass die Auslenkung des Massenschwingers ausschließlich durch die zu messenden Trägheitskräfte bestimmt wird.
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In einer praktischen Implementierung dieses Messprinzips existieren jedoch immer teilweise beträchtliche parasitäre Kapazitäten, beispielsweise zwischen der Massenelektrode und dem Substrat. Werden die Elektroden nun auf ein elektrisches Potential gelegt, kommt es aufgrund der parasitären Kapazitäten zu einer zusätzlichen Ladungsverschiebung, durch die die Ladungsbilanz zwischen den beiden Elektrodenpaaren gestört und damit der obenstehende lineare Zusammenhang nichtlinear wird. Zusätzlich gilt nun auch nicht mehr der perfekte Ausgleich der von den Substratelektroden ausgeübten elektrostatischen Kräfte auf die Massenelektrode.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, durch zusätzliche Maßnahmen einen Ladungsausgleich zumindest näherungsweise zu erreichen und auf diese Weise den gewünschten linearen Zusammenhang und das elektrostatische Kräftegleichgewicht zu erreichen. Eine solche Technik besteht beispielsweise in einem Rückkopplungsverfahren zur Ladungskompensation (charge balancing, siehe dazu „A Fully Differential Charge-Balanced Accelerometer for Electronic Stability Control“, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume 49, Issue 1, Jan. 2014). Dabei wird die beschriebene Elektrodenanordnung in einen Rückkopplungspfad eingebettet, bei dem die Ladungsverluste der Elektroden als Fehlersignal fungieren und negativ an die, an den Substratelektroden anliegenden Spannungen rückgekoppelt sind. Durch den Rückkopplungsmechanismus werden die Spannungen so angepasst, dass sich ein verschwindender Ladungsverlust ergibt und damit der gewünschte Ladungsausgleich erzwungen wird. Der zugehörige Regelkreis ist Teil eines Kontrollsystems des Sensors, das üblicherweise in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) realisiert wird, die mit der getrennt hergestellten mikroelektromechanischen Struktur in einem späteren Herstellungsschritt verbunden wird.
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Parasitäre Kapazitäten entstehen in verschiedenen Teilen eines Inertialsensors. Die parasitären Effekte in den Bonddrähten, beispielsweise durch Bonddrahtverwehungen, nehmen dabei etwa einen Anteil von 20 % ein und unterliegen den fertigungsbedingten Streuungen der Aufbau- und Verbindungstechnik, während die parasitären Kapazitäten in den Zuleitungen der mikroelektromechanischen Struktur einen Anteil von ca. 10 % einnehmen und relativ geringen Streuungen im Herstellungsprozess unterliegen. Den größten Anteil von ca. 70 % nehmen die parasitären Kapazitäten ein, die durch Schwankungen im Herstellungsprozess der mikroelektromechanischen Struktur selbst, insbesondere durch sogenannte Kantenverluststreuung entstehen. Die Prozessschwankungen bei der Herstellung der mikroelektromechanischen Struktur können bei der auf dem ASIC realisierten Kompensationstechnik nicht berücksichtigt werden, so dass diese Fertigungsschwankungen die Linearität der Sensorkennlinie verschlechtern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Inertialsensor zur Verfügung zu stellen, bei dem die Fertigungsschwankungen bei der Herstellung der mikroelektromechanischen Struktur in dem Kompensationsmechanismus für die parasitären Kapazitäten direkt berücksichtigt werden.
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Bei dem Inertialsensor gemäß dem Hauptanspruch werden die Kompensationsstrukturen für die Parasitärkapazitäten direkt als Teil der mikroelektromechanischen Struktur (im Folgenden auch mit CMA, capacitive micromechanical accelerometer bezeichnet) realisiert und unterliegen damit analogen Fertigungsschwankungen der geometrischen Konfiguration. Unter geometrischer Konfiguration sind im Folgenden sowohl die Form und Abmessungen der verschiedenen Komponenten, als auch die gegenseitige Positionierung der Komponenten zueinander zu verstehen. Die geometrischen Verhältnisse weichen aufgrund fertigungstechnischer Schwankungen von der idealen Geometrie des Strukturentwurfs ab, beispielsweise durch einen nicht exakt senkrechten Winkel der Trenchgräben bzw. deren Wände. Die Abweichungen variieren zwar prinzipiell zwischen verschiedenen, parallel gefertigten mikroelektromechanischen Strukturen oder zwischen verschiedenen Fertigungschargen, jedoch sind die Abweichungen innerhalb einer einzelnen mikroelektromechanischen Struktur oder zwischen auf dem Fertigungswafer benachbart liegenden Strukturen zumindest teilweise konsistent, beispielsweise in Form eines ähnlichen Neigungswinkels der Trenchgräben. Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht darin, die geometrische Form der ersten und zweiten kapazitiven Kompensationsstruktur so einzurichten, dass die Kompensationskapazitäten der Kompensationsstrukturen mit den Parasitärkapazitäten korreliert sind, dass also beispielweise fertigungstechnische Schwankungen, die zu hohen Parasitärkapazitäten führen, gleichzeitig hohe Kompensationskapazitäten der Kompensationsstrukturen hervorrufen. Auf diese Weise ist es vorteilhafterweise möglich, die Kompensationskapazitäten und die Parasitärkapazitäten im Prozess besser aneinander anzupassen. Werden die Kompensationskapazitäten dagegen innerhalb des ASIC realisiert, können dem Herstellungsprozess des ASIC lediglich nominelle Werte zugrunde gelegt werden, ohne dass eine Anpassung zwischen Kompensationskapazitäten und Parasitärkapazitäten möglich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors weist der Inertialsensor eine Kontrolleinheit auf, wobei die Kontrolleinheit zur Minimierung eines Fehlersignals konfiguriert ist, wobei das Fehlersignal auf einer Ladungsbilanz zwischen erster und zweiter Kapazität basiert, wobei die Minimierung des Fehlersignals durch Anpassung eines an der zweiten Elektrode anliegenden elektrischen Potentials und durch Anpassung eines an der dritten Elektrode anliegenden elektrischen Potentials erfolgt. Bei dieser Ausführungsform wird die Linearität der Sensorkennlinie durch den Einsatz eines Verfahrens zum Ladungsausgleich verbessert (charge balancing). Auf diese Weise wird vorteilhafterweise Ladungsverluste auf null geregelt und so die Linearität der Sensorkennlinie gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors ist die Kontrolleinheit als anwendungsspezifische integrierte Schaltung realisiert. Die Kontrolleinheit mit den Komponenten des Rückkopplungssystems werden dabei zusammen mit den Komponenten zum Auslesen des Sensors und zur Sensorsignalverarbeitung als Teil eines ASICs implementiert, während der Massenschwinger und die erste, zweite und dritte Elektrode CMA-seitig implementiert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors basiert das Fehlersignal auf einer Ladungsbilanz zwischen erster und zweiter Kapazität und auf einer Ladungsbilanz zwischen der ersten und zweiten Kompensationskapazität. Auf diese Weise werden vorteilhafterweise die erfindungsgemäßen Kompensationsstrukturen in den Regelkreis integriert. Die durch den Regelungsprozess ausgeglichene Ladungsbilanz zwischen erster und zweiter Kapazität und zwischen der ersten und zweiten Kompensationskapazität erzeugt vorteilhafterweise eine Verbesserung der Linearität der Sensorkennlinie.
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Die Linearität der Sensorkennlinie kann weiterhin durch Hinzufügen weiterer Kompensationskapazitäten auf ASIC-Seite verbessert werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors weist die Kontrolleinheit ein erstes kapazitives Element mit einer dritten Kompensationskapazität und ein zweites kapazitives Element mit einer vierten Kompensationskapazität auf, wobei das erste kapazitive Element parallel zur ersten kapazitiven Kompensationsstruktur geschaltet ist und das zweite kapazitive Element parallel zur zweiten kapazitiven Kompensationsstruktur geschaltet ist und das Fehlersignal auf einer Ladungsbilanz zwischen erster und zweiter Kapazität und auf einer Ladungsbilanz zwischen erster, zweiter, dritter und vierter Kompensationskapazität basiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors weist die Kontrolleinheit ein drittes kapazitives Element und ein viertes kapazitives Element aufweist, wobei das dritte kapazitive Element zwischen erster und zweiter Elektrode geschaltet ist und das vierte kapazitive Element zwischen erster und dritter Elektrode geschaltet ist.
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Die vorstehenden Beschreibungen behandeln den Fall eines Inertialsensors mit einem Massenschwinger und mindestens drei zugehörigen Elektroden. Die erfindungsgemäßen kapazitiven Kompensationsstrukturen lassen sich jedoch allgemein für die Verbesserung der Linearität der Sensorkennlinie bei Sensoren mit mehr als einem Massenschwinger einsetzen. Die vorstehend beschriebenen Merkmale verallgemeinern sich unmittelbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors weist die elektromechanische Struktur einen zweiten Massenschwinger, eine vierte, mit dem Massenschwinger verbundene Elektrode und eine fünfte und sechste, mit dem Substrat verbundene Elektrode aufweist, wobei zwischen vierter und fünfter Elektrode eine dritte Kapazität und zwischen vierter und sechster Elektrode eine vierte Kapazität besteht, wobei die elektromechanische Struktur eine mit der fünften Elektrode verbundene dritte kapazitive Kompensationsstruktur mit einer fünften Kompensationskapazität aufweist und eine mit der sechsten Elektrode verbundene vierte kapazitive Kompensationsstruktur mit einer sechsten Kompensationskapazität aufweist, wobei die dritte und vierte Kompensationskapazität zur Kompensation der Parasitärkapazität vorgesehen sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors basiert das Fehlersignal auf einer Ladungsbilanz zwischen erster und zweiter Kapazität und auf einer Ladungsbilanz zwischen dritter und vierter Kapazität, wobei die Minimierung des Fehlersignals durch Anpassung eines an der zweiten Elektrode anliegenden elektrischen Potentials, eines an der dritten Elektrode anliegenden elektrischen Potentials, eines an der fünften Elektrode anliegenden elektrischen Potentials und eines an der sechsten Elektrode anliegenden elektrischen Potentials erfolgt. Auf diese Weise lassen sich die kapazitiven Kompensationsstrukturen in vorteilhafter Weise in einen, die Elektroden beider Massenschwinger umfassenden Regelkreis einbinden. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Systems ist in 1 dargestellt. In analoger Weise lassen sich Kompensationsstrukturen und Regelungssysteme für Sensoren mit mehr als zwei Massenschwinger bilden. Die vorstehend beschriebenen Merkmale verallgemeinern sich unmittelbar.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch die Schaltung eines Kapazitäts-Spannungswandlers für einen Inertialsensor mit zwei Massenschwingern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist das schematische Schaltbild einer möglichen Implementierung eines Kapazitäts-Spannungswandlers für einen Inertialsensor mit kapazitiven Kompensationsstrukturen dargestellt. Der Sensorkern weist bei dieser Ausführungsform zwei Massenschwinger auf, wobei jeder Massenschwinger eine Massenelektrode (erste Elektrode) aufweist, die zwischen zwei Substratelektroden (zweite und dritte Elektrode) angeordnet ist. Die beiden Massenschwinger und die zughörigen Elektroden sind vom Aufbau her identisch, werden jedoch mit elektrischen Potentialen entgegengesetzter Polarität beaufschlagt. Abhängig von der Auslenkung des ersten Massenschwingers und der mit ihm verbundenen Massenelektrode besteht zwischen der ersten Substratelektrode und der Massenelektrode eine erste Kapazität 1 und zwischen der zweiten Substratelektrode und der Massenelektrode eine zweite Kapazität 2.
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Bei perfektem Ladungsausgleich zwischen beiden Elektrodenpaaren hängt die Ausgangsspannung linear von der Verschiebung des Massenschwingers ab. Parasitäre Kapazitäten verursachen jedoch eine nicht-ausgeglichene Ladungsbilanz zwischen den beiden Elektrodenpaaren, so dass sich ein nichtlinearer Zusammenhang ergibt und sich die elektrostatischen Kräfte zwischen Substratelektroden und der Massenelektrode nicht exakt wegheben. Eine analoge Situation ergibt sich für den zweiten Massenschwinger, bei dem die Kapazitäten zwischen der Massenelektrode (vierte Elektrode) und den zugehörigen Substratelektroden (fünfte und sechste Elektrode) mit 1' und 2' bezeichnet sind.
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Um die durch die Parasitärkapazitäten verursachten Ladungsverluste an den Kapazitäten 1, 2 und 1', 2' zu minimieren, wird die kapazitiven Teiler 1, 2 und 1', 2' in einen Rückkopplungspfad eingebettet, wobei die Ladungsverluste als Fehlersignal fungieren. Dazu werden die elektrischen Signale an den Knoten 9 und 9' über die Verbindungen 16 und 16' über Kreuz mit dem Verstärker 7 verbunden und durch den durch den Verstärker 7 und die Kondensatoren 10 und 10' gebildeten Integrator in eine Ausgangsspannung 8 umgewandelt, mit der jeweils die an den Knoten 5 und 6, bzw. 5' und 6' anliegenden Potentiale angepasst werden. Durch die negative Rückkopplung werden die Ladungsverluste so auf null geregelt (charge balancing). Die Details der Schaltung und des Rückkopplungsverfahrens sind in „A Fully Differential Charge-Balanced Accelerometer for Electronic Stability Control“, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume 49, Issue 1, Jan. 2014 beschrieben.
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Der Regelkreis für den Ladungsausgleich ist als Teil einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) implementiert, die mit dem CMA, d.h. der mikroelektromechanischen Struktur des Sensorkerns, insbesondere mit dem Massenschwinger und den zugehörigen Elektroden verbunden ist. Der dargestellte Mechanismus zum Ladungsausgleich weist weiterhin eine Reihe weiterer Kompensationskapazitäten auf, die teilweise als Komponente des ASIC und teilweise als Komponente des CMA realisiert sind. Die Kompensationskapazitäten 11, 12, 14 und 15, bzw. 11', 12', 14' und 15' sind dabei Teil des ASIC und sind zueinander in Reihe zwischen den mit den Substratelektroden verbundenen Knoten 5 und 6, bzw. 5' und 6' geschaltet. Parallel zum ersten kapazitiven Element 11 ist eine erste kapazitive Kompensationsstruktur 3 und parallel zum zweiten kapazitiven Element 12 ist eine zweite kapazitive Kompensationsstruktur 4 geschaltet, wobei die Kompensationsstrukturen 3 und 4 als Teil des CMA realisiert sind. Analog sind zwei weitere Kompensationsstrukturen 3' und 4' parallel zu den, zum zweiten Massenschwingers gehörigen Kompensationskapazitäten 11' und 12' geschaltet. Alle Kompensationsstrukturen 3, 4, 3', 4' sind dabei vollständig auf CMA-Seite realisiert. Die Kompensation der Parasitärkapazitäten der mikroelektromechanischen Struktur ergibt sich dabei durch ein Zusammenspiel des Regelkreises und der Kompensationskapazitäten 11, 12, 14, 15, 11', 12', 14', 15' auf ASIC Seite und der anteiligen Realisierung der CMA-seitigen Struktur 13, bestehend aus den Kompensationsstrukturen 3, 4, 3' und 4'. Erfindungsgemäß ist dabei die geometrische Konfiguration der Kompensationsstrukturen 3, 4, 3' und 4' so gewählt, dass die bei der Herstellung des CMA auftretenden Fertigungsschwankungen die Parasitärkapazitäten der mikroelektromechanischen Struktur und die Kompensationskapazitäten der Kompensationsstrukturen in analoger Weise beeinflussen. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise sicherstellen, dass die Kompensationsstrukturen bereits aufgrund ihrer geometrischen Gestaltung auf die zu kompensierenden Parasitärkapazitäten abgestimmt sind.
