MEMS-Sensor Hochempfindlich auf kleiner Fläche

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Mit einem mikroelektromechanischen Beschleunigungssensor (MEMS-Sensor) lassen sich mit hoher Empfindlichkeit auf kleiner Fläche Beschleunigungen messen. Herstellt werden die MEMS-Sensoren mit Standard-Techniken.

Steffen Michael, wissenschaftlicher Mitarbeiter für MEMS-Simulation, Design & Test am IMMS. Seine Erfindung „Mikroelektromechanischer Beschleunigungssensor“ wurde mit einer Bronzemedaille im Wettbewerb der Erfindermesse iENA zur Thüringer Auszeichnungsveranstaltung des PATON – Landespatentzentrum Thüringen an der Technischen Universität Ilmenau am 29.11.2022 geehrt.
Steffen Michael, wissenschaftlicher Mitarbeiter für MEMS-Simulation, Design & Test am IMMS. Seine Erfindung „Mikroelektromechanischer Beschleunigungssensor“ wurde mit einer Bronzemedaille im Wettbewerb der Erfindermesse iENA zur Thüringer Auszeichnungsveranstaltung des PATON – Landespatentzentrum Thüringen an der Technischen Universität Ilmenau am 29.11.2022 geehrt.
(Bild: IMMS)

Um Beschleunigungen mit miniaturisierter Messtechnik erfassen zu können, werden mikroelektromechanische Sensorsysteme (MEMS) eingesetzt. Das Patent ermöglicht das Design effizienter z-Beschleunigungssensoren in der XMB10-Technologie, mit denen Messungen von Beschleunigungen aus der Sensorebene heraus möglich werden.

Dazu werden Kammstrukturen genutzt, mit denen Beschleunigungen aus der Sensorebene heraus über ein kapazitives Messverfahren detektiert werden. Kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren bestehen aus Kammelektroden mit ineinandergreifenden Fingerstrukturen. Beschleunigungen werden durch die Verschiebung einer an einer Feder aufgehängten Rotor-Elektrode (seismische Masse) gegenüber einer Stator-Elektrode erfasst. Dabei tritt eine Kapazitätsänderung auf, die direkt oder differentiell elektronisch ausgewertet werden kann.

Wie die hohe Empfindlichkeit erreicht wird

Neuartiges Sensordesign des z-Beschleunigungssensors; links: im Ruhezustand mit Verschaltung ∆C = (C2a-(C1a+C1b)) + (C2b-(C1c+C1d)); rechts: im ausgelenkten Zustand (Auslenkung in positive z-Richtung Cz+= …, Auslenkung in negative z-Richtung Cz-=…).
Neuartiges Sensordesign des z-Beschleunigungssensors; links: im Ruhezustand mit Verschaltung ∆C = (C2a-(C1a+C1b)) + (C2b-(C1c+C1d)); rechts: im ausgelenkten Zustand (Auslenkung in positive z-Richtung Cz+= …, Auslenkung in negative z-Richtung Cz-=…).
(Bild: IMMS)

Sie wird für die Messung von Beschleunigungen vertikal zur Sensorebene über abgedünnte Fingerstrukturen für Rotor- und Statorfinger erreicht. Um eine hohe Sensitivität bei minimierter Fläche des Sensors zu erreichen, werden Torsionsfedern genutzt. Die Rotorelektrode besteht aus einem Rahmen mit zwei parallelen Hebelarmen und einem zwischen den Hebelarmen verlaufenden Mittelsteg. Die Hebelarme sind jeweils an einer von zwei Torsionsfedern aufgehängt. Der Mittelsteg verläuft parallel und mit Abstand zu den Torsionsfedern. In diesem Design wird die Kapazitätsänderung durch die Änderung der Fläche sich gegenüberliegender Elektroden erzielt.

Hohe Sensitivität und auf kleiner Sensorfläche

Mit dem neuen Design werden Beschleunigungen aus der Sensorebene heraus mit einer hohen Sensitivität und auf einer kleinen Sensorfläche messbar. Gleichzeitig weist die Sensorebene selbst in x-y-Richtung eine hohe Steifigkeit und der Sensor eine geringe Fehleranfälligkeit auf.

Durch die konstruktive Gestaltung lässt sich der Beschleunigungssensor mit kosteneffizienten MEMS-Technologien in hohen Stückzahlen fertigen. Zudem lässt sich das Design mit weiteren Bauteilen oder Beschleunigungssensoren kombinieren. Das kann beispielsweise ein 3D-Sensor sein.

Das Patent erlaubt unterschiedliche Sensorbauformen, die sich mit der gleichen MEMS-Technologie fertigen lassen. Somit kann die seismische Masse optimiert, die an den Torsionsfedern auftretenden Momente gleichmäßiger verteilt und parasitäre Einflüsse verringert werden.

Deutsches Patent: DE 10 2020 119 371 B3
Patentanmelder/-inhaber: IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH)
Erfinder: Steffen Michael

(ID:48774964)

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