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WO2011042041A1 - Mikroelektromechanischer sensor mit differentialkondensatorprinzip - Google Patents

Mikroelektromechanischer sensor mit differentialkondensatorprinzip Download PDF

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WO2011042041A1
WO2011042041A1 PCT/EP2009/062887 EP2009062887W WO2011042041A1 WO 2011042041 A1 WO2011042041 A1 WO 2011042041A1 EP 2009062887 W EP2009062887 W EP 2009062887W WO 2011042041 A1 WO2011042041 A1 WO 2011042041A1
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WO
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sensor according
electrode
electrodes
microelectromechanical sensor
gap
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PCT/EP2009/062887
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Marco Dienel
Jörg Schaufuß
Jan Mehner
Dirk Scheibner
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Definitions

  • the invention relates to a microelectromechanical sensor with differential capacitor principle, which has a capacitor with a movable electrode and at least one fixed electrode, wherein the movable and the fixed electrode are formed at least in a partial area as flat surfaces which are arranged parallel to each other, i. between which there is a gap.
  • microelectromechanical sensors are known. It is also known in capacitive sensors to keep the gap as small as possible, since the sensitivity increases with the reduction of the gap distance. There are several methods available for generating small capacitive gap distances. For example, the microelectromechanical structure is produced with technologically easily realizable, relatively large gap distances. After completion, the gap distance is reduced by means of an adjustment actuator. Hitherto, the adjustment direction has always been the same as the detection direction or working direction of the sensor, such as, for example, the sensor. in the document "Micromechanical resonators with submicron capacitive gaps in 2 ⁇ process" from ELECTRONICS LETTERS, Dec. 6, 2007, Vol.43, No.25 This means that several adjustment actuators have to be integrated in order to reduce counteracting gap spacings of a differential arrangement ,
  • the invention has for its object to provide a microelectromechanical sensor of the type mentioned above, which allows a reduction in the gap distance in a simple manner.
  • the object is achieved with the features of claim 1.
  • the first means for gap reduction comprise at least one return spring.
  • the first means for gap reduction at least one stop umfas ⁇ sen.
  • microelectromechanical sensor is when, according to claim 4 second means are provided by which the movable electrode is movable in an Ar ⁇ beitsraum having an angle to the flat surfaces of the electrodes, which differs substantially from 90 °.
  • the adjustment direction and the working direction are separated from each other.
  • the cross-sensitivity for vibrations in the adjustment direction can be reduced.
  • the electrodes are formed in the shape of a comb with triangular tips which engage with each other, wherein the inclined surfaces of the triangular tips of the movable electrode at least partially opposite those of the fixed electrode with the gap.
  • a further particularly advantageous embodiment is when according to claim 9 for detecting the back and forth Movement of the movable electrode in the working direction two fixed electrodes are provided.
  • the fixed electrodes are designed with a multiplicity of triangular electrode elements which are interconnected by buried conductor tracks. This results in an electrode pair arrangement for detecting the movement of the movable electrode in the forward and reverse directions.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of another erfinderi ⁇ rule sensor with differential capacitor principle and 4 different embodiments of electrode structures.
  • FIG 1 the basic principle of the inventive micro-electromechanical sensor with differential capacitor principle is shown schematically.
  • the sensor has a capacitor with a movable electrode and at least one fixed electrode.
  • the movable electrode is moved in the adjustment direction y.
  • the adjustment y has the position of the two surfaces 1.2 an angle ß, which is substantially smaller than 90 °.
  • the cross-sensitivity for vibrations in the adjustment direction is changed according to the angle ⁇ , preferably reduced by the factor sin ( ⁇ ), whereas the sensitivity in the working direction is changed only by cos ( ⁇ ).
  • sin (ß) is much smaller than cos (ß).
  • the sensor 3 has a movable electrode 4 and two fixed electrodes 5.
  • these electrodes 4, 5 is made comb-shaped with triangular tips 6 which interlock, wherein the inclined surfaces of the triangular tips 6 of the movable electrode 4 at least in part ⁇ as those of the fixed electrode 5 facing with a gap d.
  • the two fixed electrodes 5 lent a drive on the outward and return path during a movement in the working direction x.
  • two interconnected combs are provided for the electrodes 4, 5 in each case.
  • more combs can also be specified according to this principle.
  • the two combs forming the movable electrode 4 are each connected to first gap-reducing means 7 in an adjustment direction y.
  • the working direction x in which the deflection of the movable electrode 4 is provided, lies at an angle of 90 ° with respect to the adjustment direction y.
  • the separation of the working direction x and the adjustment direction y as well as the beveled shape of the electrodes 4, 5 also causes a gap reduction with only one adjusting actuator. tion simultaneously between two electrode pairs is possible and the use as a differential capacitor is still guaranteed.
  • the first means 7 for gap reduction comprise in addition to the Justieraktor two return springs 8 and two stops 9, which can be made fixed or variable. As stops 9, e.g. Serve stopper.
  • the adjustment movement can be stepped, e.g. via the stoppers or latching pawls or continuously. This also allows an adaptive adjustment of the gap distance.
  • second means 10 which are designed here as springs and which ensure the movement of the movable electrode 4 in the working direction x.
  • the described sensor 3 with first means 7 for gap reduction would be e.g. advantageous used when a vibration excitation occurs at high frequencies. In this case, smaller movement amplitudes result, which require greater sensor sensitivity by adjusting the gap distance.
  • FIG. 1 Another embodiment of an inventive sensor is shown in FIG.
  • the stationary electrodes 5 are not comb-shaped, but with a plurality of triangular electrode elements El and E2, which enable an electrode pair arrangement for detecting the movement of the movable electrode 4 in the forward and reverse directions.
  • the respective uniform electrode elements El and E2 are each connected by buried conductor tracks, ie in another plane of the microelectromechanical structure.
  • the present embodiment of the ⁇ be described embodiment of Figure 2 corresponds.
  • stops 9 are not absolutely necessary, since adjustment movements can also take place in several steps with a predetermined step size or continuously.
  • the adjustment movement can also take place via the stationary electrodes instead of via the inertial mass.
  • FIG. 4 shows various electrode structures for movable and stationary electrodes 4, 5.
  • the seismic mass (the tines or corners can be made larger or smaller in volume depending on the position of the resonance frequency).

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein mikroelektromechanischer Sensor (3) mit Differentialkondensatorprinzip vorgeschlagen, der einen Kondensator mit einer beweglichen Elektrode (4) und mit mindestens einer feststehenden Elektrode (5) aufweist. Dabei sind die bewegliche Elektrode (4) und die feststehende Elektrode (5) zumindest in einem Teilbereich als ebene Flächen ausgebildet, die parallel zueinander angeordnet sind, d.h. zwischen denen ein Spalt besteht. Mit der beweglichen Elektrode (4) sind erste Mittel (7) zur Spaltreduzierung in einer Justierrichtung (y) verbunden, wobei die Justierrichtung (y) einen zu den ebenen Flächen der Elektroden (4, 5) wesentlich von 90° abweichenden Winkel aufweist. Die Finger der kammförmigen Elektroden sind schräg in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Elektroden und auf die Bewegungsrichtung der Justiermittel ausgerichtet.

Description

Beschreibung
Mikroelektromechanischer Sensor mit Differentialkondensatorprinzip
Die Erfindung betrifft einen mikroelektromechanischen Sensor mit Differentialkondensatorprinzip, der einen Kondensator mit einer beweglichen Elektrode und mit mindestens einer feststehenden Elektrode aufweist, wobei die bewegliche und die fest- stehende Elektrode zumindest in einem Teilbereich als ebene Flächen ausgebildet sind, die parallel zueinander angeordnet sind, d.h. zwischen denen ein Spalt besteht.
Derartige mikroelektromechanische Sensoren sind bekannt. Es ist ebenfalls bei kapazitiven Sensoren bekannt, den Spalt möglichst klein zu halten, da die Empfindlichkeit mit der Reduzierung des Spaltsabstandes zunimmt. Zur Erzeugung geringer kapazitiver Spaltabstände stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Z.B. wird die mikroelektromechanische Struktur mit technologisch einfach realisierbaren, relativ großen Spaltabständen hergestellt. Nach der Fertigstellung wird mittels eines Justieraktors der Spaltabstand reduziert. Dabei ist bisher die Justierrichtung stets die gleiche wie die Detektions- richtung bzw. Arbeitsrichtung des Sensors wie z.B. im Doku- ment „Micromechanical resonators with submicron capacitive gaps in 2 μτη process" aus ELECTRONICS LETTERS, 06.12.2007, Vol.43, No.25, beschrieben. Dies bedeutet, dass zur Reduzierung gegenläufig arbeitender Spaltsabstände einer Differentialanordnung mehrere Justieraktoren integriert werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikroelektromechanischen Sensor der oben genannten Art vorzuschlagen, der auf einfache Weise eine Reduzierung des Spaltabstandes ermöglicht .
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikroelektromechanischen Sensors besteht, wenn gemäß Anspruch 2 die ersten Mittel zur Spaltreduzierung mindestens eine Rückstellfeder umfassen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 3 die ersten Mittel zur Spaltreduzierung zumindest einen Anschlag umfas¬ sen .
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikroelektromechanischen Sensors besteht, wenn gemäß Anspruch 4 zweite Mittel vorgesehen sind, durch die die bewegliche Elektrode in einer Ar¬ beitsrichtung beweglich ist, die zu den ebenen Flächen der Elektroden einen Winkel aufweist, der wesentlich von 90° abweicht .
Es ist vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 5 die Justierrichtung und die Arbeitsrichtung voneinander getrennt sind. Durch die Trennung der Aufhängungsrichtung für Justierung und Detektion kann die Querempfindlichkeit für Schwingungen in Justierrich- tung verringert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 6 die Justierrichtung und die Arbeitsrichtung zueinander einen Winkel von 90° aufweisen.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform besteht, wenn dieser gemäß Anspruch 7 zumindest teilweise als mikromechanische Struktur aus Silizium ausgeführt ist. Außerdem erweist es sich als vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 8 die Elektroden im Profil kammförmig mit dreieckförmigen Spitzen ausgeführt sind, die ineinandergreifen, wobei die schrägen Flächen der dreieckförmigen Spitzen der beweglichen Elektrode zumindest teilweise denen der feststehenden Elek- trode mit dem Spalt gegenüberstehen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht, wenn gemäß Anspruch 9 zur Erfassung der Hin- und Rückwärtsbe- wegung der beweglichen Elektrode in der Arbeitsrichtung zwei feststehende Elektroden vorgesehen sind.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 10 die feststehenden Elektroden mit einer Vielzahl von dreieckförmi- gen Elektrodenelementen ausgeführt sind, die durch vergrabene Leiterzüge untereinander verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine Elektrodenpaaranordnung für die Erfassung der Bewegung der beweglichen Elektrode in Hin- und Rückrichtung .
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips eines erfinderischen Sensors,
FIG 2 eine schematische Darstellung eines erfinderischen Sen¬ sors mit Differentialkondensatorprinzip,
FIG 3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfinderi¬ schen Sensors mit Differentialkondensatorprinzip und FIG 4 unterschiedliche Ausführungsformen von Elektrodenstrukturen .
In FIG 1 ist das Grundprinzip des erfinderischen mikroelek- tromechanischen Sensors mit Differentialkondensatorprinzip schematisch dargestellt. Der Sensor weist einen Kondensator mit einer beweglichen Elektrode und mit mindestens einer feststehenden Elektrode auf.
FIG 1 zeigt die Fläche 1 der beweglichen Elektrode 4 und pa- rallel dazu in einem Spaltabstand d angeordnet die Fläche 2 der feststehenden Elektrode 5. Zur Reduzierung des Spaltab¬ stands d wird die bewegliche Elektrode in Justierrichtung y bewegt. Die Justierrichtung y hat zur Lage der beiden Flächen 1,2 einen Winkel ß, der wesentlich kleiner ist als 90°. Ab- hängig vom gewählten Winkel ß verändert sich das Verhältnis von Justierweg zu Spaltverringerung. Extrem kleine, bisher nicht erreichbare Spaltabstände können durch einen größeren Justierweg, der mit hoher Genauigkeit aufgelöst werden kann, realisiert werden. Die bewegliche Elektrode lässt sich in der Arbeitsrichtung x bewegen, deren Fläche 1 hier im Winkel = 90° zur Justierrichtung liegt. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu bisherigen Strukturen die Trennung von Arbeitsrich- tung und Justierrichtung vorgesehen ist. Durch die Trennung der Aufhängungsrichtung für Justierung und Detektion wird die Querempfindlichkeit für Schwingungen in Justierrichtung entsprechend dem Winkel ß verändert, vorzugsweise mit dem Faktor sin(ß) verringert, wohingegen die Empfindlichkeit in Arbeits- richtung nur um cos(ß) verändert wird. Für kleine Winkel ß gilt, dass sin(ß) sehr viel kleiner als cos(ß) ist.
Dieses anhand der FIG 1 erläuterte Grundprinzip wird beim erfinderischen Sensor 3 mit Differentialkondensatorprinzip ge- mäß FIG 2 angewendet, der z.B. zum Einsatz als Beschleuni¬ gungssensor geeignet ist.
Der Sensor 3 weist eine bewegliche Elektrode 4 und zwei feststehende Elektroden 5 auf. Im Profil sind diese Elektroden 4, 5 kammförmig mit dreieckförmigen Spitzen 6 ausgeführt, die ineinandergreifen, wobei die schrägen Flächen der dreieckför- migen Spitzen 6 der beweglichen Elektrode 4 zumindest teil¬ weise denen der feststehenden Elektrode 5 mit einem Spalt d gegenüberstehen. Die beiden feststehenden Elektroden 5 ermög- liehen eine Ansteuerung auf dem Hin- und Rückweg bei einer Bewegung in Arbeitsrichtung x.
In diesem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 sind für die Elektroden 4,5 jeweils zwei miteinander verbundene Kämme vorgese- hen. Gemäß diesem Prinzip können grundsätzlich auch mehr Kämme vorgegeben sein. Die beiden, die bewegliche Elektrode 4 bildenden Kämme sind jeweils mit ersten Mitteln 7 zur Spaltreduzierung in einer Justierrichtung y verbunden. Die Arbeitsrichtung x, in der die Auslenkung der beweglichen Elek- trode 4 vorgesehen ist, liegt zur Justierrichtung y im Winkel von 90°. Die Trennung von Arbeitsrichtung x und Justierrichtung y sowie die abgeschrägte Form der Elektroden 4,5 bewirkt außerdem, dass mit nur einem Justieraktor eine Spaltverringe- rung gleichzeitig zwischen zwei Elektrodenpaaren möglich wird und der Einsatz als Differentialkondensator weiterhin gewährleistet ist. Bei Ausführung des mikroelektromechanischen Sensors 3 mit Silizium bedarf es aufgrund der Anforderung nur eines Justieraktors einer verringerten Siliziumfläche.
Für die Ausführung des Justieraktors sind Lösungen in mikro- elektromechanischer Struktur bekannt. Dazu gehören beispielsweise:
- elektrostatische Zustellung,
- thermische Zustellung mittels Mehrschichtsystemen,
- Schrittschaltwerk,
- bistabile Schnappmechanismen,
- Ratschenmechanismus (Raste, Klinke) .
Die ersten Mittel 7 zur Spaltreduzierung umfassen neben dem Justieraktor zwei Rückstellfedern 8 und zwei Anschläge 9, die fest oder variabel ausgeführt sein können. Als Anschläge 9 können z.B. Stopper dienen. Die Justierbewegung kann stufen- weise, z.B. über die Stopper oder Einrastklinken oder stufenlos erfolgen. Dies ermöglicht auch eine adaptive Einstellung des Spaltabstands.
Außerdem sind die beiden, die bewegliche Elektrode 4 bilden- den Kämme mit zweiten Mitteln 10 verbunden, die hier als Federn ausgeführt sind und die die Bewegung der beweglichen Elektrode 4 in Arbeitsrichtung x gewährleisten.
Der beschriebene Sensor 3 mit ersten Mitteln 7 zur Spaltredu- zierung wäre z.B. vorteilhaft verwendbar, wenn eine Schwingungsanregung mit hohen Frequenzen erfolgt. In diesem Fall ergeben sich kleinere Bewegungsamplituden, die eine größere Sensorempfindlichkeit durch Nachstellen des Spaltsabstands erfordern .
Eine weitere Ausführungsform eines erfinderischen Sensors ist in FIG 3 dargestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach FIG 2 sind hier die feststehenden Elektroden 5 nicht kammförmig ausgeführt, sondern mit einer Vielzahl von drei- eckförmigen Elektrodenelementen El und E2, die eine Elektro- denpaaranordnung für die Erfassung der Bewegung der beweglichen Elektrode 4 in Hin- und Rückrichtung ermöglichen. Die betreffenden gleichförmigen Elektrodenelemente El und E2 sind jeweils durch vergrabene Leiterzüge, d.h. in einer anderen Ebene der mikroelektromechanischen Struktur verbunden. Im Übrigen entspricht die vorliegende Ausführungsform der be¬ schriebenen Ausführungsform gemäß FIG 2.
Es sei angemerkt, dass die Anschläge 9 nicht unbedingt erforderlich sind, da Justierbewegungen auch in mehreren Schritten mit vorgegebener Schrittweite oder stufenlos erfolgen können. Die Justierbewegung kann auch über die feststehenden Elektroden statt über die Inertialmasse erfolgen.
In FIG 4 sind verschiedene Elektrodenstrukturen für bewegliche und feststehende Elektroden 4,5 dargestellt. Für die Auswahl der Elektrodenstruktur sind u.a. folgende Faktoren zu bedenken :
- Welche Technologie wird verwendet (maximal erlaubte Spaltabstände, Hinter- bzw. Unterätzung an spitzen Ecken);
- Verteilung der seismischen Masse (die Zinken bzw. Ecken können je nach Lage der Resonanzfrequenz größer- oder kleinervolumig gestaltet werden) .

Claims

Patentansprüche
1. Mikroelektromechanischer Sensor (3) mit Differentialkon¬ densatorprinzip, der einen Kondensator mit einer beweglichen Elektrode (4) und mit mindestens einer feststehenden Elektrode (5) aufweist, wobei die bewegliche Elektrode (4) und die feststehende Elektrode (5) zumindest in einem Teilbereich als ebene Flächen ausgebildet sind, die parallel zueinander angeordnet sind, d.h. zwischen denen ein Spalt besteht, dadurch gekennzeichnet, dass mit der beweglichen Elektrode (4) erste Mittel (7) zur Spaltreduzierung in einer Justierrichtung (y) verbunden sind, wobei die Justierrichtung (y) einen zu den ebenen Flächen der Elektroden (4,5) von 90° abweichenden Winkel aufweist.
2. Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (7) zur Spaltreduzierung mindestens eine Rückstellfeder (8) umfassen.
3. Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (7) zur Spaltreduzierung zumindest einen Anschlag (9) umfassen.
4. Mikroelektromechanischer Sensor nach einem der oben ge- nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Mittel (10) vorgesehen sind, durch die die bewegliche Elektrode (4) in einer Arbeitsrichtung (x) beweglich ist, die zu den ebenen Flächen der Elektroden (4,5) einen Winkel aufweist, der we¬ sentlich von 90° abweicht.
5. Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Justierrichtung (y) und die Arbeits¬ richtung (x) voneinander getrennt sind.
6. Mikroelektromechanischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Justierrichtung (y) und die Arbeits¬ richtung (x) zueinander einen Winkel von 90° aufweisen.
7. Mikroelektromechanischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest teilweise als mikromechanische Struktur aus Silizium ausge¬ führt ist.
8. Mikroelektromechanischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4,5) im Profil kammförmig mit dreieckförmigen Spitzen (6) ausgeführt sind, die ineinandergreifen, wobei die schrägen Flächen der dreieckförmigen Spitzen (6) der beweglichen
Elektrode (4) zumindest teilweise denen der feststehenden Elektrode (5) mit dem Spalt gegenüberstehen.
9. Mikroelektromechanischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Hin- und Rückwärtsbewegung der beweglichen Elektrode (4) in der Arbeitsrichtung (x) zwei feststehende Elektroden (5) vorgesehen sind.
10. Mikroelektromechanischer Sensor nach einem der vorange¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die festste¬ henden Elektroden (5) mit einer Vielzahl von dreieckförmigen Elektrodenelementen (E1,E2) ausgeführt sind, die durch ver¬ grabene Leiterzüge untereinander verbunden sind.
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