Hochempfindliche Beschleunigungsmessung mit kleinem MEMS-Sensor

Das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) wurde am 29.11.2022 für die Entwicklung „Mikroelektromechanischer Beschleunigungssensor“ mit einer Bronzemedaille im Wettbewerb der Erfindermesse iENA zur Thüringer Auszeichnungsveranstaltung des PATON – Landespatentzentrum Thüringen an der Technischen Universität Ilmenau geehrt. Das PATON hatte Ende Oktober die Arbeit stellvertretend für den Erfinder Steffen Michael auf der iENA in Nürnberg präsentiert und in den Wettbewerb eingebracht. Das neuartige Design dieses mikroelektromechanischen Beschleunigungssensors ist in Bezug auf Prozesstoleranzen optimiert und erreicht für die Prozessfamilie XMB10 von X-FAB eine hohe Sensitivität auf kleinster Fläche. Beides ermöglicht Produzenten z.B. aus dem Automobil- oder Kommunikationsbereich, die mit kostengünstigen Standardtechnologien herstellbaren MEMS-Sensoren in Chipgröße in ihre Systeme zu integrieren.

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. Sie wird in der XMB10-Technlogie 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.

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 kann das Design mit weiteren Bauteilen oder Beschleunigungssensoren, z.B. zu einem 3D-Sensor, kombiniert werden.

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

Ein auf das Design angepasstes System wurde erfolgreich in Betrieb genommen.

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

Erfinder: Steffen Michael