WO1999014613A1

WO1999014613A1 - Sensorelement

Info

Publication number: WO1999014613A1
Application number: PCT/DE1998/002672
Authority: WO
Inventors: Martin Schoefthaler; Ralf Schellin; Bernd Maihöfer; Franz Laermer; Markus Lutz; Harald Emmerich; Jörg KAIENBURG
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 1999-03-25
Also published as: DE19740049A1; DE19881346D2; JP2001516887A; US6462566B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, insbesondere zum Bestimmen eines Drehwinkels, mit einem in Abhängigkeit einer Änderung einer zu messenden Größe seine Lage verändernden Erfassungsmittel, wobei die Lageänderung des Erfassungsmittels zu einer Änderung eines, durch das Erfassungsmittel beeinflußten, auswertbaren Signals des Sensorelementes führt. Es ist vorgesehen, daß das Erfassungsmittel (14) wenigstens eine, von einem Strom (I) durchflossene Leiterschleife aufweist, die einem externen Magnetfeld (B) ausgesetzt ist, das Erfassungsmittel (14) derart drehbeweglich gelagert ist, daß eine Drehbewegung des Sensorelementes (10) um einen Drehwinkel (α) in der Ebene des Magnetfeldes (B) in eine Auslenkung (υ) des Erfassungsmittels (14), senkrecht zum Magnetfeld (B) umgesetzt wird.

Description

Sensorelement

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, insbesondere zum Bestimmen eines Drehwinkels, mit einem in Abhängigkeit einer Änderung einer zu messenden Größe seine Lage verändernden Erfassungsmittel, wobei die Lageänderung des

Erfassungsmittels zu einer Änderung eines, durch das Erfassungsmittel beeinflußten, auswertbaren Signals des Sensorelementes führt .

Stand der Technik

Sensorelemente der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So sind beispielsweise aus der Feinwerktechnik Präzisionssensorelemente bekannt, die potentiometrisch oder optisch wirken. Hier wird infolge einer Drehbewegung eines das Sensorelement aufweisenden Teils entweder eine Widerstandsänderung ausgelöst, die zu einer Änderung eines auswertbaren elektrischen Signals führt. Bei optisch wirkenden Sensorelementen wird ein optisches Signal in Abhängigkeit einer Drehstellung beeinflußt, so daß dieses, beispielsweise über eine Photozelle, ein auswertbares Signal generiert. Darüber hinaus sind Hallsensoren bekannt, bei denen der Effekt ausgenutzt wird, daß bei einem stromdurchflossenen Leiter, bei dem ein Stromfluß senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld erfolgt, eine Spannungsdifferenz senkrecht zum Stromfluß und senkrecht zum Magnetfeld abgegriffen werden kann. Bei den bekannten Sensorelementen ist nachteilig, daß diese einen relativ komplizierten Aufbau aufweisen und infolgedessen nur eine eingeschränkte Reduktion ihrer Baugröße möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß es einfach aufgebaut ist und eine Drehwinkeländerung mit großer Empfindlichkeit detektieren kann. Dadurch, daß das Erfassungsmittel wenigstens eine von einem Strom durchflossene Leiterschleife aufweist, die einem externen, vorzugsweise homogenen oder eine Vorzugsrichtung aufweisenden, Magnetfeld ausgesetzt ist, das

Erfassungsmittel derart drehbeweglich gelagert ist, daß eine Drehbewegung des Erfassungsmittels um einen Drehwinkel, der in der Ebene des Magnetfeldes liegt, in einer Auslenkung des Erfassungsmittels senkrecht zum Magnetfeld umgesetzt wird, läßt sich sehr vorteilhaft die Transformation des Drehwinkels in eine Kraft erreichen, die als Grad des Drehwinkels auswertbar ist. So läßt sich in einfacher Weise eine berührungsfreie Messung eines Drehwinkels erzielen. Insbesondere wenn das Sensorelement mit Mitteln der

Oberflächenmikromechanik, beispielsweise auf einem eine integrierte Schaltung besitzenden Wafer erzeugt wird, lassen sich in eine für eine Massenfertigung geeignete Weise hochpräzise Sensorelemente herstellen, die extrem klein und leicht sind. Somit können diese Sensorelemente auch an empfindlichen Teilen angeordnet werden, deren Drehwinkeländerung detektiert werden soll.

Das Sensorelement eignet sich nicht nur zur Erkennung einer Drehwinkeländerung, sondern auch zur Detektion eines Drehwinkels der über sehr lange Zeiträume unverändert bleiben kann.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Sensorelement zwei Erfassungsmittel aufweist, die um 90° zueinander verdreht angeordnet sind. Hierdurch wird sehr vorteilhaft eine vollständige Detektion des Drehwinkels über 360° möglich. Gleichzeitig ist auch eine Überdrehung, das heißt ein mehrmaliges Drehen um einen Winkel von 360° möglich, ohne daß der Sensor in einen mechanischen oder ähnlichen Anschlag geht.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Erfassungsmittel eine Torsionsstruktur ist, die um eine feste Achse tordierbar ist. Somit kann ein externer Drehwinkel oder eine externe Drehwinkeländerung in einen internen Torsionswinkel beziehungsweise in eine interne Torsionswinkeländerung transformiert werden. Der interne Torsionswinkel beziehungsweise die interne Torsions- winkeländerung kann bevorzugt mittels einer Differenzkapazitätsmessung detektiert werden, indem eine Änderung eines Torsionswinkels zu einer Änderung eines durch eine Kapazität beeinflußten elektrischen Signals führt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Aufsicht auf ein Sensorelement in einer ersten Ausführungsvariante; Figur 2 eine schematische Perspektivansicht eines Sensorelementes gemäß Figur 1 ; Figuren 3 bis 5schematische Ansichten zur Wirkungsweise des Sensorelementes; Figur 6 eine Aufsicht auf ein Sensorelement in einer zweiten Ausführungsvariante; Figuren 7 und 8 eine weitere Ausgestaltung der Sensorelemente, Figuren 9 bis 11 die Herstellung der Sensoren und die Figuren 12 bis 14 Querschnitte durch verschiedene Varianten des Sensors.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist eine Draufsicht auf ein Sensorelement 10 gezeigt. Das Sensorelement 10 ist mit Verfahrensschritten der Oberflächenmikromechanik auf der Oberfläche eines nicht dargestellten Wafers strukturiert. Der Wafer kann gleichzeitig elektrische Schaltungen zur Auswertung der mit dem Sensorelement 10 gelieferten Signale aufweisen. Auf diese Auswerteschaltungen soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden.

Als Material für das Sensorelement 10 kann Silizium genutzt werden, bei dem durch entsprechende Dotierung eine elektrische Leitfähigkeit des Sensorelementes 10 erreicht wird.

Das Sensorelement 10 besitzt einen Rahmen 12, der in Draufsicht gesehen ein Erfassungsmittel 14 umschließt. Der Rahmen ist zweiteilig ausgebildet, so daß sich - in der in Figur 1 gezeigten Draufsicht gesehen - eine linke

Rahmenhälfte 16 und eine rechte Rahmenhälfte 18 ergibt. Die Rahmenhälfte 16 ist mit einem Anschlußkontakt 20 und die Rahmenhälfte 18 mit einem Anschlußkontakt 22 verbunden. Die Rahmenhälften 16 und 18 besitzen Abschnitte 24 mit einer größeren Breite, und somit größeren Querschnitt als die übrigen Bestandteile der Rahmenhälfte 16 und 18, so daß hierdurch eine Verringerung des elektrischen Widerstandes der gesamten Rahmenhälften 16 beziehungsweise 18 möglich ist und eine zuverlässige Verankerung des Rahmens 12 gewährleistet ist.

Das Erfassungsmittel 14 wird im wesentlichen von einem flachen Plättchen gebildet, dessen konkreter Aufbau nachfolgend noch erläutert wird. Das Erfassungsmittel 14 ist mittels Torsionsbalken 26 und 28 an den Rahmenhälften 16 und 18 frei aufgehängt, das heißt, es besteht kein Berührungskontakt mit dem Wafer des Sensorelementes 10. Die Verteilung der Teilmassen beidseitig der Torsionsachse 42 ist symmetrisch ausgelegt, so daß bei keinerlei einwirkender Kraft das Erfassungsmittel 14 über seine gesamte Fläche einen gleichgroßen Abstand zu dem darunterliegenden Wafer des Sensorelementes 10 aufweist. Die Torsionsbalken 26 und 28 besitzen im Verhältnis zu ihrer in Draufsicht gesehenen Breite eine relativ hohe - in Figur 1 in die Papierebene hinein gesehene - Tiefe. Durch dieses Verhältnis von Breite zu Tiefe der Torsionsbalken 26 und 28 wird erreicht, daß das Erfassungsmittel 14 in der Papierebene betrachtet als freischwingende Wippe zwischen den Rahmenhälften 16 und 18 aufgehängt ist. Gleichzeitig ist das Erfassungsmittel 14 stabil gegenüber Gewichtskräften und Beschleunigungen parallel zur z-Achse aufgehangen.

Das Erfassungsmittel 14 besitzt beidseitig seiner durch die Torsionsbalken 26 und 28 verlaufenden Torsionsachse 42 symmetrisch aufgebaute Fingerstrukturen 30 beziehungsweise 32. Die Fingerstrukturen 30 und 32 sind derart aufgebaut, daß sich entlang einer gedachten Teilungsfuge 34 abwechselnd überlappende Finger einer in Draufsicht gesehenen linken Hälfte 36 des Erfassungsmittels und einer rechten Hälfte 38 des Erfassungsmittels 14 ergeben. Die Teilungsfuge 34 erstreckt sich nicht über die gesamte Länge des Erfassungsmittels 14, sondern läßt - in Figur 1 unten gesehen - einen durchgehenden Balken 40. Der Balken 40 verläuft parallel zu der durch die Torsionsbalken 26 und 28 verlaufenden Torsionsachse 42 und ist über Wippenholme 44 beziehungsweise 46 mechanisch und elektrisch an die Torsionsbalken 26 und 28 angekoppelt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensorelementes 10 zeigt Figur 6. Gleiche Teile wie in Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Das in Figur 6 gezeigte Sensorelement 10 unterscheidet sich von dem in Figur 1 dadurch, daß eine Aufhängung des Erfassungsmittels 14 anstatt über den Rahmen 12 über nach innen gerichtete Torsionsbalken 26 und 28 erfolgt. Diese sind an Befestigungspunkten angelenkt, die gleichzeitig zur Ausbildung der elektrischen Anschlußkontakte 20 und 22 dienen. Der übrige Aufbau entspricht dem in Figur 1 erläuterten Sensorelement 10. Die Funktion beider Ausführungsvarianten des Sensorelementes 10 gemäß Figur 1 beziehungsweise Figur 6 ist die gleiche, so daß nachfolgend diese nur anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert wird. Durch die Aufhängung des Erfassungsmittels 14 über die nach innen gerichteten Torsionsbalken 26 und 28 ergibt sich insbesondere eine Kompensation innerer, materialspezifischer Druckbelastungen des Sensorelementes 10, ohne eine Beeinträchtigung der noch zu erläuternden Funktion. Darüber hinaus ist eine Reduktion des elektrischen Widerstandes des Sensorelementes 10 möglich.

Zusätzlich zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kragen von dem Erfassungsmittel 14 Vorsprünge 52 ab, die symmetrisch zur Torsionsachse 42 ausgebildet sind. Diese Vorsprünge 52 bieten den anhand der Figuren 7 und 8 erläuterten Vorteil. In Figur 2 ist das Sensorelement 10 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigt, wobei gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert sind. Anhand der Perspektivansicht soll die

Funktionsweise des Sensorelementes 10 verdeutlicht werden, wobei die Funktion auch für das Sensorelement 10 gemäß Figur 6 entsprechend gilt.

Die Anschlußkontakte 20 und 22 werden in eine nicht dargestellte Schaltungsanordnung eingekoppelt, so daß zwischen den Anschlußkontakten 20 und 22 ein Strom I fließt. Durch die Ausgestaltung des Sensorelementes 10, insbesondere des Erfassungsmittels 14, fließt der Strom I - wie in Figur 2 mit den Pfeilen angedeutet - über die Rahmenhälfte 16, den Torsionsbalken 26, den Wippenholm 46, den Balken 40, den Wippenholm 44, den Torsionsbalken 28 und der Rahmenhälfte 18 zwischen den Anschlußkontakten 20 und 22. Durch die Ausbildung der Teilungsfuge 34, der Torsionsbalken 26 und 38 sowie den Rahmenhälften 16 und 18 wird dem Strom I dieser Weg vorgegeben. Das Sensorelement 10 wird gleichzeitig mit einem konstanten, homogenen Magnetfeld B, das idealerweise unidirektional angenommen wird, beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit dem Magnetfeld B kann beispielsweise durch einen dem Sensorelement 10 zugeordneten

Permanentmagneten, einem zuschaltbaren Elektromagneten oder auf andere geeignete Weise erfolgen.

Gemäß der allgemein bekannten physikalischen Beziehungen wird auf eine bewegte elektrische Ladung in einem Magnetfeld eine Kraft, die sogenannte Lorentzkraft FL ausgeübt. Im in Figur 2 gezeigten Beispiel wird der in x-Richtung fließende Strom I mit dem in y-Richtung wirkenden Magnetfeld B beaufschlagt, so daß die in z-Richtung wirkende Lorentzkraft FL wirkt. Hierbei gilt die Beziehung:

wobei 1 die Länge des Balkens 40 ist, I der durch den Balken 40 fließende Strom, B das auf den Balken 40 einwirkende

Magnetfeld und α ein noch zu erläuternder Drehwinkel ist.

Aufgrund dieser Beziehung erfährt das Erfassungsmittel 14 eine Auslenkung um seine Torsionsachse 42, so daß das Erfassungsmittel 40 eine Auslenkung um einen Winkel θ zur

Oberfläche des Wafers unter dem Erfassungsmittel 14 erfährt. Hierdurch erfolgt durch die wippenartige Aufhängung des Erfassungsmittels 14 über die Torsionsbalken 26 und 28 an dem Rahmen 12 einerseits eine Annäherung und andererseits eine Entfernung des Erfassungsmittel 14 zu der Oberfläche des Wafers.

Der Grad der Auslenkung des Erfassungsmittels 14 und damit die Größe des Winkels θ wird durch die Lorentzkraft FL bestimmt, die entlang des Balkens 40 entsteht. Die ebenfalls an den Wippenholmen 46 beziehungsweise 44 entstehenden Lorentzkräfte heben sich gegenseitig auf, da die Richtung des Stromes I durch die Wippenholme 44 und 46 genau entgegengesetzt ist.

Anhand der genannten Beziehung wird deutlich, daß die Größe der Lorentzkraft FL durch die Größe des Stromes I, die Größe des Magnetfeldes B und den Drehwinkel α bestimmt wird. Da der Strom I und das Magnetfeld B eine konstante Größe aufweisen, variiert die Lorentzkraft FL ausschließlich aufgrund einer Änderung des Drehwinkels α.

Hierzu ist in Figur 3 schematisch das Sensorelement 10 angedeutet, wobei das Sensorelement 10 um die z-Achse in einem Winkelbereich α verdrehbar ist. Da mit dem Sensorelement 10 gleichzeitig das Erfassungsmittel 14 und somit der Balken 40 verdreht wird, ändert sich mit der Änderung des Drehwinkels α die Lorentzkraft FL proportional zu sin(α) . Der Drehwinkel α wird durch die Drehung des

Sensorelementes 10 auf eine Änderung der Flußrichtung des Stromes I zu dem Magnetfeld B übertragen. Die somit zur Änderung des Drehwinkels α proportionale Verdrehung des Balkens 40 führt zu einer proportionalen Änderung der Lorentzkraft FL proportional zu sin(α) . Entsprechend der Änderung der Lorentzkraft FL erfährt das Erfassungsmittel 14 eine Änderung der Auslenkung um die Torsionsachse 42 um den Winkel θ.

Die Änderung des Winkels θ, als Maß für eine Änderung des Drehwinkels , kann anhand der in der Figur 4 und 5 verdeutlichten Ausgestaltung des Sensorelementes 10 detektiert werden. Unterhalb des Erfassungsmittels 14 sind jeweils Elektroden 48 und 50 angeordnet, die beispielsweise aus einem vergrabenen Polysilizium bestehen können. Die Elektroden 48 und 50 bilden Gegenelektroden für die Fingerstrukturen 30 beziehungsweise 32, so daß es zwischen der Fingerstruktur 32 und der Elektrode 48 zur Ausbildung einer Kapazität C2 und zwischen der Fingerstruktur 30 und der Elektrode 50 zur Ausbildung einer Kapazität Cl kommt.

Die Größe der Kapazitäten C2 und Cl wird einerseits von dem Abstand der Fingerstrukturen 30 beziehungsweise 32 zu den Elektroden 50 beziehungsweise 48 und der Fläche der Elektroden bestimmt. Durch die Ausbildung der Fingerstrukturen 30 beziehungsweise 32 entlang der

Teilungsfuge 34 kommt es zu einer relativ homogenen Fläche A trotz der Ausbildung der für die Festlegung des Weges des Stromes I über den Balken 40 notwendigen Ausbildung der Teilungsfuge 34. Die - in Draufsicht gesehen - asymmetrische Anordnung der Teilungsfuge 34 dient einer Kompensation des Unterschiedes der elektrostatischen Anziehungskräfte, der auf unterschiedlichen Potentialdifferenzen zwischen den einzelnen Fingern der Fingerstruktruren 30 beziehungsweise 32 basiert, da das reziproke Flächenverhältnis in die elektrostatische Anziehungskraft eingeht.

In Figur 4 ist das Sensorelement 10 in Ruhestellung gezeigt, das heißt, der Strom I fließt nicht. Hierdurch kommt es nicht zum Entstehen der Lorentzkraft FL aufgrund des anliegenden Magnetfeldes B. Das Erfassungsmittel 14 befindet sich somit in seiner Gleichgewichtsstellung, so daß die Abstände d zwischen den Elektroden 48 beziehungsweise 50 an den Fingerstrukturen 32 beziehungsweise 30 gleich groß sind. Die Kapazitäten C2 und Cl sind somit ebenfalls gleich groß, wobei die Beziehung gilt:

wobei εr eine Dielektrizitätskonstante ist.

Fließt der Strom I (Figur 2) durch den Balken 40, wirkt die Lorentzkraft FL, und das Erfassungsmittel 14 wird aus seiner Gleichgewichtsstellung gebracht. Entsprechend der Größe der Lorentzkraft FL erfolgt eine Auslenkung um den Winkel θ.

Somit ergibt sich eine Differenz zwischen den Kapazitäten C2 und Cl, da einerseits der Abstand d zwischen der Elektrode 48 und der Fingerstruktur 32 sich vergrößert und andererseits der Abstand d sich zwischen der Elektrode 50 und der Fingerstruktur 30 verkleinert. Diese sich ergebende Differenzkapazität ist aufgrund der bekannten Dimensionierung des Sensorelementes 10, der bekannten Stromstärke I und dem bekannten Magnetfeld B ein von der Lorentzkraft FL abhängiges Signal. Ändert sich nun der Drehwinkel α, kommt es zu der bereits erläuterten Änderung der Lorentzkraft FL und damit zu einer Änderung des Winkels θ. Mit Änderung des Winkels θ stellt sich eine neue Differenzkapazität zwischen den Kapazitäten C2 und Cl ein, die mittels einer Auswerteschaltung gemessen werden kann. Die sich einstellende Differenzkapazität beziehungsweise eine Änderung der Differenzkapazität ist somit abhängig von dem Drehwinkel α beziehungsweise einer Änderung des Drehwinkels α.

Insgesamt ist somit ein Sensorelement 10 geschaffen, das einfach aufgebaut ist und bei dem eine externe Änderung des Drehwinkels α in eine interne Änderung des Winkels θ mit sehr hoher Empfindlichkeit transformiert werden kann, das heißt, selbst kleinste Änderungen des Drehwinkels α können zuverlässig detektiert werden.

Die bisherige Beschreibung ging von einem konstanten Magnetfeld bzw. von einem konstanten Stromfluß aus, so daß dann der Drehwinkel die einzige veränderliche Größe war. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist es jedoch auch möglich zu einer dynamischen Messung überzugehen, bei der entweder der Stromfluß oder das Magnetfeld variiert werden. Die Torsionsbalken 26, 28 mit den daran befestigten Massen stellen ein schwingfähiges Gebilde dar, welches eine mechanische Eigenschwingung aufweist. Wenn nun die Lorentzkraft mit einer Frequenz variiert wird, die nahe der mechanischen Eigenschwingungen des Systems aus Torsionsfedern und daran befestigten Massen liegt, so wird das mechanische Gebilde zu sehr großen Auslenkungen, das heißt zu sehr großen Drehschwingungen um die Achse 42 angeregt. Da hier der Drehwinkel α gemessen werden soll, läßt sich eine solche zeitliche Variation der Lorentzkraft durch Beeinflussung des Magnetfeldes B oder durch Beeinflussung des Stromes I erzielen. Die Erfassungsmittel führen dann Schwingungen mit großer Amplitude aus, die besonders einfach und gut nachzuweisen sind. Bereits kleine Variationen des Drehwinkels α bewirken dann eine große Änderung dieser Schwingungen, so daß eine erhebliche Empfindlichkeitssteigerung erreicht wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Sensorelement in einem Gehäuse angeordnet ist, in dem der Innendruck verringert ist, so daß die Dämpfung der Schwingungen des Sensorelements gering sind.

Durch die dynamische Anregung des Sensorelement wird jedoch der detektierbare Winkelbereich jedes Sensorelements auf 90° eingeschränkt. Um eine komplette 360° Messung mit hoher Präzision vorzunehmen sind 4 Sensorelemente erforderlich.

Von denen werden zwei quasistatisch betrieben und es wird so eine 360° Erkennung ermöglicht. Die hohe Winkelauflösung wird dann durch die zwei weiteren dynaisch betriebenen Sensoren erreicht.

Anhand der Figuren 7 und 8 wird die Funktion der Vorsprünge 52 verdeutlicht. Diese sind einstückig mit dem Erfassungsmittel 14 ausgebildet und sind gemeinsam mit diesem um die Torsionsachse 42 tordierbar. Kommt es beispielsweise durch eine Drehbeschleunigung um die Torsionsachse 42 zu einer sehr großen Auslenkung des Erfassungsmittels 14, so wird über die Vorsprünge 52 verhindert, daß es zu einem direkten elektrischen Kontakt, und somit einem Kurzschluß, zwischen den Elektrodenpaaren 30 und 50 beziehungsweise 32 und 48 kommt. Anhand der in Figur 8 gestrichelt gezeigten starken Auslenkung des Erfassungsmittels 14 wird deutlich, daß bevor ein direkter Kontakt zwischen der Elektrodenpaarung 30 und 50 entstehen kann, der Vorsprung 52 auf einem Anschlag 54 aufsitzt und somit die maximale Auslenkung des Erfassungsmittels be- grenzt. Die Vorsprünge 52 dienen somit als mechanischer Überlastschutz des Sensorelementes 10. Die Anschläge 54 können beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Elektroden 48 beziehungsweise 50 bestehen und sich mit diesen auf gleicher Höhe befinden. Jedoch ist eine elektrische leitende Verbindung zwischen Elektroden 48 und 50 beziehungsweise den Anschlägen 54 nicht ausgebildet.

Durch den Aufbau des Sensorelementes 10 kann dieses auch in bewegten Systemen, beispielsweise Kraftfahrzeugen, eingesetzt werden, da einwirkende Beschleunigungskrafte keinen Einfluß auf die die Änderung des Drehwinkels α detektierenden Signale haben. Eine Beschleunigung in z- Richtung wirkt auf das gesamte Erfassungsmittel 14 gleich- mäßig, so daß diese keine Auslenkung um die Torsionsachse 42 bewirkt. In x- beziehungsweise y-Richtung wirkende Beschleunigungskräf e führen ebenfalls zu keiner Signalverfälschung, da aufgrund des Einwirkens derartig gelagerter Beschleunigungskräfte eine Änderung des Abstandes d zwischen den Elektroden 48 beziehungsweise 50 und den Kammstrukturen 32 beziehungsweise 30 nicht erfolgt. Eventuell hierbei auftretende Querempfindlichkeiten durch eine geringfügige Parallelverschiebung des Erfassungsmittels 14 können vernachlässigt werden. Eine Eliminierung der Empfindlichkeit gegenüber Drehbeschleunigungen, deren

Drehachse mit der Torsionsachse zusammenfällt oder zumindest einen zu dieser Torsionsachse parallelen Anteil hat, kann durch entsprechende Ansteuerung des Erfassungsmittels 14 herbeigeführt werden.

Insgesamt lassen sich durch eine Variation der Dimensionierung der einzelnen Bestandteile des Senεorelementes 10 unterschiedliche Empfindlichkeiten erreichen. So kann beispielsweise eine veränderte Länge, Breite oder Dicke der Torsionsbalken 26 und 28 zu einem veränderten Auslenkverhalten um den Winkel θ bei gleichgroßer Lorentzkraft FL führen. Gleiches gilt für eine Dimensionierung des Erfassungsmittels 14, eine Erhöhung beziehungsweise Verringerung der Stromstärke des Stromes I beziehungsweise des Magnetfeldes B. Eine Änderung des Rahmens 12 hat keine unmittelbare Auswirkung auf die Empfindlichkeit des Sensorelementes 10, kann jedoch dessen Stabilität beeinflussen. Insbesondere kann durch gezielte Unterätzungen der Rahmenhälfte 16 beziehungsweise 18 eine Erhöhung beziehungsweise Verringerung der Kompensation von Druckspannungen, die über die Torsionsbalken 26 beziehungsweise 28 auf den Rahmen 12 wirken, beeinflußt werden.

Nach einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, kann das Sensorelement 10 insgesamt zwei Erfassungsmittel 14 aufweisen, die um exakt 90° zueinander verdreht angeordnet sind. Hierdurch kann eine Änderung des Drehwinkels α über einen Betrag von 180° hinaus detektiert werden. Entsprechend der sich in den einzelnen

Erfassungsmitteln ändernden Richtungen des Stromflusses I zu dem jeweils konstant bleibenden Magnetfeld B ergeben sich unterschiedliche Auslenkungen der einzelnen Erfassungsmittel 14 um jeweils einen Winkel θ, die über die Messung der Differenzkapazitäten exakt erfaßbar und einer entsprechenden Änderung des Drehwinkels α zuordbar ist . Auch ein Überdrehen eines das Sensorelement 10 aufweisenden Teils über 360° hinaus kann so zuverlässig detektiert werden, daß heißt ein mehrmaliges Drehen um einen Winkel von 360° ist möglich, ohne daß der Sensor in einen mechanischen oder ähnlichen Anschlag geht .

Neben einer Erfassung eines Drehwinkels α beziehungsweise einer Änderung des Drehwinkels α kann das Sensorelement 10 in umgekehrter Wirkungsweise der Detektion eines Magnetfeldes B dienen. Bei bekanntem Winkel α und bekannter Stromstärke des Stromes I kann in Umstellung der oben genannten Beziehung für die Lorentzkraft FL auf die Größe eines Magnetfeldes B rückgeschlossen werden. Eine durch das Magnetfeld B in diesem Fall hervorgerufene Änderung beziehungsweise Auftreten der Lorentzkraft FL führt ebenfalls zu einer Änderung der Differenzkapazitäten zwischen den Kapazitäten C2 und Cl.

In den nun folgenden Figuren 9 bis 11 wird das

Herstellungsverfahren der Sensoren näher erläutert. In der Figur 9 wird ein Substrat 200 gezeigt auf dem eine Opferschicht 201 aufgebracht ist. In die Opferschicht sind Ausnehmungen 100 und 102 eingebracht in denen das Substrat 200 freiliegt. Innerhalb dieser Ausnehmungen 100 und 102 erfolgt im weiteren Verlauf des Verfahrens eine Befestigung des Sensorelement unmittelbar auf dem Substrat 200. Für das Substrat 200 sind alle üblichen Substratmaterialien wie Siliziumwafer, keramische Platten oder dergleichen geeignet. Es können auch Metallplatten, die mit einer oberflächlichen Isolationsschicht versehen sind, verwendet werden. Wesentlich ist hierbei nur, daß die oberste Schicht der Substratplatte 200 im wesentlichen isolierend ist. Für die Opferschicht 201 können alle Materialien verwendet werden, die sich selektiv gegen andere Materialien, aus denen dann das Sensorelement aufgebaut wird, entfernen lassen. Das Entfernen erfolgt üblicherweise durch Ätzen, beispielsweise durch Ätzflüssigkeiten oder gasförmige Ätzmedien.

In einem weiteren Schritt wird dann die Sensorstruktur auf der Substratplatte 200 und der Opferschicht 201 aufgebracht. Dabei sind verschiedene Verfahren denkbar. Es kann zunächst eine ganzflächige Beschichtung mit einem Material für die Sensorstruktur erfolgen, die dann durch übliche Strukturierungsmethoden, beispielsweise Abdecken mittels einer Maske und Ätzen der nicht abgedeckten Bereiche, strukturiert wird. Alternativ ist es auch möglich, eine dicke Beschichtung aufzubringen, in der dann Öffnungen eingebracht werden, die bis zur Opferschicht 201 bzw. im Bereich der Ausnehmungen 100 und 102 bis zur Substratplatte

200 reichen. Die Ausnehmungen stellen dabei eine Form für die zu erzeugende Sensorstruktur dar. Denn diese Form wird dann beispielsweise mittels eines galvanischen Prozesses mit einem Metall oder dergleichen aufgefüllt und dann die dicke Formschicht entfernt. In der Figur 10 wird das Ergebnis dieser beiden unterschiedlichen Herstellungsmethoden dargestellt. Die Figur 10 zeigt im Querschnitt einen Verfahrensschritt bei der Herstellung eines Sensors, wie er in der Figur 6 dargestellt ist. Der Querschnitt der Figur 10 entspricht einem Querschnitt entlang der Drehachse 42, die in der Figur 6 dargestellt ist. Im Bereich der Ausnehmungen 100 und 102 wurden die Anschlußkontakte 20 und 22 erzeugt, die fest mit dem Substrat 200 verbunden sind. Mit diesen Anschlußkontakten 20, 22 sind die Torsionsbalken 26, 28 verbunden, die jedoch keinerlei direkten Kontakt zum

Substrat 200 haben, sondern vollständig auf der Opferschicht

201 aufliegen. An den Torsionsbalken 26, 28 sind dann die linke und rechte Seite 36, 38 der Erfassungsmittel befestigt. Auch diese linke und rechte Seite 36, 38 der Erfassungsmittel liegen vollständig auf der Opferschicht 201 auf und weisen keinerlei direkten Kontakt zum Substrat 200 auf. Durch Ätzen der Opferschicht 201 wird dann die Struktur geschaffen, wie sie in der Figur 11 dargestellt ist. Die Ansicht in der Figur 11 entspricht einem Schnitt durch das Sensorelement der Figur 6 entlang der Achse 42. Die

Anschlußkontakte 20, 22 sind unmittelbar mit dem Substrat 200 verbunden. Daran sind die Torsionsbalken 26, 28 und an den Torsionsbalken die linke und rechte Seite 36 und 38 der Erfassungsmittel befestigt. Wie in dem Querschnitt der Figur 11 leicht zu erkennen ist, wird durch die Anschlußkontakte 20, 22 eine feste Befestigung an dem Substrat 200 gewährleistet, während die Torsionsbalken 26, 28 und die linke und rechte Seite der Auswertemittel 36, 38 gegenüber dem Substrat 200 frei beweglich sind.

Die Verfahrensschritte der Figuren 9 bis 11 stellen übliche Verfahrensschritte der sogenannten Oberflachenmikromechanik dar. Vorteilhaft ist das sich mit diesem Verfahren eine Vielzahl von Sensoren auf einem Substrat zugleich herstellen lassen. Das Erfassungselement ist hier als plattenförmiges Element ausgebildet, das von den als Sockel oder Podest ausgebildeten Anschlußkontakten 20, 22 in einem geringen Abstand zum Substrat gehalten wird. Das plattenförmige Auswertemittel bildet mit der Aufhängung an den Torsionsbalken 26, 28 eine Wippenstruktur, bei der sich durch einwirkende Kräfte der Abstand jeder Seite der Wippe relativ zu Substrat ändern kann. Im vorliegenden Fall werden die Kräfte durch eine Lorenzkarft gebildet, d.h. eine Kraft die zwischen einem stromdurchflossenen Leiter und einem Magnetfeld wirkt. Zur Erzeugung der Lorenzkraft ist das plattenförmige Auswerteelement durch entsprechende Trennfugen so aufgeteilt, daß bei einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlußkontakten eine definierte Leiterschleife ausgebildet wird, durch die dann der Strom fließt. Die Auslenkung der Auswertemittel werden dann beispielsweise durch auf dem Substrat aufgebrachte Elektroden nachgewiesen, die zusammen mit jeder Seite der Auswertemittel Plattenkondensatoren bilden.

Bisher wurde in der Beschreibung nur der Begriff Trennfuge verwendet. Generell ist jedoch jedes Trennmittel geeignet, durch das ein plattenförmiges Auswerteelement in leitende und nichtleitende Bereiche unterteilt wird. In den Figuren 12 bis 14 werden die verschiedenen Möglichkeiten für Trennstrukturen erläuteret. Es wird jeweils ein Querschnitt durch die Seiten 36 und 38 des Erfassungsmittels entsprechen der Linie X - X der Figur 6 gezeigt. Wenn das plattenförmige Erfassungsmittel 36, 38 aus einem halbleitenden Material, vorzugsweise Silizium ausgebildet ist, wird die Trennstruktur durch Bereiche mit geringer Dotierung 301 gebildet (Figur 12) . Wenn das plattenförmige Erfassungsmittel aus einem Material geringer Leitfähigkeit mit einer oberflächlichen gut leitenden Beschichtung 310, vorzugsweise Metall, ausgebildet ist, wird die Trennstruktur durch Bereiche 302 ohne Beschichtung 310 gebildet (Figur

13) . Wenn das plattenförmige Erfassungsmittel aus einem gut leitenden Material, vorzugsweise dotiertes Silizium oder Metall ausgebildet ist, wird die Trennstruktur durch eine Trennfuge, die als Luftspalt 303 ausgeführt ist, gebildet (Figur 14) .

Claims

Patentansprüche

1. Sensorelement, mit einem Substrat und einem über dem Substrat angeordneten plattenförmigen Erfassungsmittel (14), wobei das plattenförmige Erfassungsmittel (14) mit mindestens zwei Torsionsbalken (26, 28) aufgehängt ist, wobei das plattenförmige Erfassungsmittel (14) durch mindestens eine Trennstruktur so unterteilt ist, daß sich beim Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Torsionsbalken (26, 28) eine stromdurchflossene Leiterschleife im Erfassungsmittel ausbildet, und dann beim Anlegen eines Magnetfeldes die auf die Leiterschleife wirkende Lorentzkraft eine Verbiegung der Torsionsbalken (26, 28) bewirkbar ist.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Erfassungsmittel aus einem gut leitenden Material, vorzugsweise dotiertes Silizium oder Metall ausgebildet ist, und daß die Trennstruktur durch eine

Trennfuge, die als Luftspalt ausgeführt ist, gebildet wird.

3. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Erfassungsmittel aus einem halbleitenden Material, vorzugsweise Silizium ausgebildet ist, und daß die Trennstruktur durch Bereiche mit geringer Dotierung gebildet werden.

4. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Erfassungsmittel aus einem Material geringer Leitfähigkeit mit einer oberflächlichen gut leitenden Beschichtung, vorzugsweise Metall, ausgebildet ist, und daß die Trennstruktur durch Bereiche ohne Beschichtung gebildet werden.

5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsmittel (14) zu einer Torsionsachse (42) symmetrisch ausgebildet ist und einen die Leiterschleife bildender Balken (40) parallel zur Torsionsachse (42) aufweist.

6. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsmittel (14) über die Torsionsbalken (26, 28) in einem Rahmen (12) aufgehängt ist, der an dem Substrat (200) befestigt ist.

7. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsmittel (14) über Torsionsbalken (26, 28) an innenliegenden sockelartigen Anschlußkontakten an dem Substrat (200) aufgehängt ist.

8. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsbalken (26, 28) im Verhältnis zu ihrer Breite eine große Tiefe aufweisen.

9. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (12) und die Torsionsbalken (26, 28) aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen oder mit leitfähigem Material versehen sind.

10. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (12) zweigeteilt ist, wobei jede Rahmenhälfte (14, 18) oder die Torsionsbalken (26, 28) mit einem elektrischen Anschlußkontakt (20, 22) in Verbindung steht .

11. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel (14) mit auf dem Substart angeordneten Elektroden (48, 50) Kapazitäten (Cl, C2) bilden.

12. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (Cl, C2) in eine Auswerteschaltung zur Messung eine Differenzkapazität zwischen den Kapazitäten (Cl, C2) eingebunden sind.

13. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsmittel (14) als

Überlastschutz dienende Vorsprünge (52) umfaßt, die ein Kurzschließen zwischen den Elektroden (30, 50; 32, 48) der Kapazitäten (Cl, C2) verhindern.

14. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (10) zwei um 90° zueinander verdreht angeordnete Erfassungsmittel (14) aufweis .

15. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (10) mittels Verfahrensschritte der Oberflächen-Mikromechanik auf einem Siliziumwafer strukturiert ist.

16. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die Erfassungsmittel (14) zu Drehschwingungen nahe der Eigenfrequenz der Erfassungsmittel (14) anzuregen.

17. Verwendung des Sensorelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Drehwinkelsensor.

18. Verwendung des Sensorelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Magnetfeldsensor.