DE102005050159A1

DE102005050159A1 - vibration sensor

Info

Publication number: DE102005050159A1
Application number: DE200510050159
Authority: DE
Inventors: Jens Makuth; Dirk Dr. Scheibner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-04-26
Also published as: WO2007045208A3; WO2007045208A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingungssensor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schwingungssensors. Um eine möglichst einfache und kostengünstige Messung stoßförmiger Anregungen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Schwingungssensor mindestens eine erste mikromechanisch gefertigte schwingfähige Struktur aufweist, die durch die stoßförmige Anregung anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist.The invention relates to a vibration sensor and a method for producing such a vibration sensor. In order to enable the simplest and most cost-effective measurement of shock-like excitations, it is proposed that the vibration sensor have at least one first micromechanically fabricated vibratable structure that can be excited by the shock-like excitation and has a first resonance frequency in the ultrasonic range.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungssensor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schwingungssensors.The The invention relates to a vibration sensor and a method for Production of such a vibration sensor.

Ein derartiger Schwingungssensor kommt beispielsweise in der Automatisierungs- und Antriebstechnik zum Einsatz. Die Erfindung kann hier z.B. zur Zustandsüberwachung verschleißbehafteter Komponenten eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Erfindung zur Überwachung von Fertigungsprozessen genutzt werden, die durch eine schwingende Umgebung gestört werden können.One Such a vibration sensor is used, for example, in the automation and drive technology used. The invention may here be e.g. to condition monitoring wear-affected components be used. About that In addition, the invention can be used for monitoring used by manufacturing processes that are oscillating by a Environment disturbed can be.

Produktionsausfälle durch unerwartete Maschinendefekte können je nach Branche und Art des Prozesses direkte Schäden und Folgeschäden in erheblicher Höhe verursachen. Um die Zuverlässigkeit von Produktions- und Werkzeugmaschinen, verfahrenstechnischer Anlagen, Transportsystemen und ähnlichem zu erhöhen und somit Ausfallzeiten dieser Produktionsmittel zu reduzieren, wird daher einer frühzeitigen Verschleiß- und Defekterkennung immer mehr Bedeutung beigemessen.Production losses due to unexpected machine defects can depending on the industry and type of process direct damage and consequential damages at a considerable height cause. To the reliability of Production and machine tools, process plants, Transport systems and the like to increase and thus reduce downtime of these means of production, is therefore an early Wear- and defect detection are becoming increasingly important.

Beispielsweise bei elektrischen Maschinen kündigt sich ein Ausfall des Produktionsmittel oder einer seiner Komponenten (z.B. der Lager) häufig durch eine Veränderung des Schwingungsverhaltens an. Durch eine Vibrationsanalyse können diese Veränderungen detektiert werden. Auf diese Art und Weise können betroffene Komponenten vorzeitig ausgetauscht werden, bevor es zum Ausfall des Gesamtsystems und somit zu einem längeren Produktionsstillstand kommt.For example at electrical machines announces a failure of the means of production or one of its components (e.g., the bearings) frequently a change of the vibration behavior. Through a vibration analysis, these can changes be detected. In this way, affected components be replaced prematurely, before it fails the entire system and thus to a longer one Production stoppage is coming.

In der Schwingungs- bzw. Vibrationsanalyse wird im Allgemeinen der Frequenzbereich bis 10 kHz spektral ausgewertet. Üblicher Weise wird das Zeitsignal mit Hilfe eines breitbandigen Sensors erfasst und mittels einer nachfolgenden Fourier- Analyse ausgewertet. Zum Teil kommen hier auch frequenzselektive Sensoren zum Einsatz, die direkt eine spektrale Filterung eines schmalen Frequenzbandes vornehmen.In the vibration or vibration analysis is generally the Frequency range up to 10 kHz spectrally evaluated. usual Way, the time signal with the help of a broadband sensor recorded and evaluated by means of a subsequent Fourier analysis. Come in part here also frequency-selective sensors are used, which directly one spectral filtering of a narrow frequency band.

Aus der US 6,412,131 B1 ist ein mikrosystemtechnisch hergestelltes System bekannt, welches mechanische Sensoren zur Messung von Eingangssignalen wie z.B. Vibrationen aufweist. Ein solches MEMS-basiertes System kann als Einzelchipsystem ausgeführt werden.From the US Pat. No. 6,412,131 B1 a microsystem technology produced system is known, which has mechanical sensors for measuring input signals such as vibrations. Such a MEMS-based system can be implemented as a single chip system.

Beispielsweise zur Lagerüberwachung, zur Detektion von Leckage, Kavitation, Glasbruch oder elektrischer Entladung ist darüber hinaus eine Messung kurzer stoßartiger Anregungen von Interesse, die ein breitbandiges Frequenzspektrum besitzen. Derartige Anregungen werden auch mit dem Stichwort „acoustic emission" bezeichnet.For example for bearing monitoring, for the detection of leakage, cavitation, broken glass or electrical Discharge is about it In addition, a short bursty measurement Suggestions of interest, which is a broadband frequency spectrum have. Such suggestions are also with the keyword "acoustic emission ".

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst einfache und kostengünstige Messung stoßförmiger Anregungen zu ermöglichen.task The present invention is a simple and inexpensive measurement jerky suggestions to enable.

Die Aufgabe wird durch einen Schwingungssensor mit mindestens einer ersten mikromechanisch gefertigten schwingfähigen Struktur gelöst, die durch eine stoßförmige Anregung anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist.The Task is by a vibration sensor with at least one first micromechanically manufactured oscillatory structure solved by a jerky excitation is excitable and has a first resonant frequency in the ultrasonic range.

Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingungssensors gelöst, bei dem mindestens eine erste schwingfähige Struktur, die durch eine stoßförmige Anregung anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist, mikromechanisch gefertigt wird.Further The object is achieved by a method for producing a vibration sensor solved, at the at least one first oscillatory structure, which by a jerky excitation is excitable and a first resonant frequency in the ultrasonic range has micromechanically manufactured.

Die Mikromechanik bezeichnet einen Bereich der Mikrotechnik, der sich mit mechanischen Strukturen im Mikrometerbereich befasst. Bei der mikromechanischen Fertigung werden häufig aus der Halbleiterprozesstechnik, insbesondere der Mikrochipfertigung, bekannte Verfahren eingesetzt.The Micromechanics refers to an area of microtechnology that is itself deals with mechanical structures in the micrometer range. In the Micromechanical manufacturing is often done in semiconductor process engineering, in particular microchip manufacturing, known methods used.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass stoßförmige Anregungen, die ein breitbandiges Frequenzspektrum erzeugen, besonders gut im Ultraschallbereich zu detektieren sind. Unter Ultraschallbereich wird hier sowie im gesamten Dokument der Frequenzbereich zwischen 20 und 200 kHz verstanden. Der Vorteil einer Detektion stoßförmiger Anregungen durch eine Messung im Ultraschallbereich besteht darin, dass ein störendes Hintergrundrauschen im Spektrum der Anregung bei derartig hohen Frequenzen bereits abgeklungen ist. Derartige Störsignale entstehen beispielsweise durch Strukturresonanzen des Messobjektes. Bei einer Messung im Ultraschallbereich werden somit ausschließlich die interessierenden Signale detektiert, anhand derer eine Zustandsüberwachung verschleißbehafteter Komponenten durchgeführt werden kann.Of the Invention is based on the finding that shock-shaped excitations, which produce a broadband frequency spectrum, especially good at Ultrasonic range are detected. Under ultrasound range is here and throughout the document the frequency range between 20 and 200 kHz understood. The advantage of detecting impulsive stimuli by a measurement in the ultrasonic range is that a disturbing Background noise in the spectrum of excitation at such high frequencies has already subsided. Such interference arise, for example by structural resonance of the measurement object. For a measurement in the Ultrasound range are thus exclusively the ones of interest Signals detected, based on which a condition monitoring wear-prone Components performed can be.

Erfindungsgemäß wird ein derartiger Schwingungssensor für den Ultraschallbereich mikromechanisch gefertigt. Mikromechanisch gefertigte Schwingungssensoren haben z.B. gegenüber piezoelektrischen Sensoren den Vorteil, dass die geometrischen Parameter der entsprechenden schwingfähigen Strukturen beispielsweise durch Bearbeitungsmethoden wie der Lithographie mit sehr geringen Toleranzen realisiert werden können. Durch die Möglichkeit, diese Parameter in sehr engen Toleranzen festzulegen, kann auch die Resonanzfrequenz und die Bandbreite einer derartigen schwingfähigen Struktur äußerst exakt dimensioniert werden. Hierdurch können die mikromechanischen Sensoren folglich auch sehr leicht an eine konkrete Applikation angepasst werden.According to the invention, such a vibration sensor for the ultrasonic range is manufactured micromechanically. Micromechanically manufactured vibration sensors have the advantage over piezoelectric sensors, for example, that the geometric parameters of the corresponding vibratable structures can be realized, for example, by processing methods such as lithography with very narrow tolerances. The ability to set these parameters in very close tolerances, the resonance frequency and the bandwidth of such a vibratory structure are extremely accurately dimensioned. As a result, the micromechanical sensors can therefore also be adapted very easily to a specific application.

Die Größe mikromechanisch gefertigter Schwingstrukturen ist wesentlich geringer als die Größe üblicher piezoelektrischer Sensoren. Damit wird ein hohes Maß an Integration möglich, wenn mehrere Schwingstrukturen auf einen Schwingungssensor integriert werden sollen.The Size micromechanical fabricated vibrating structures is much smaller than the size of conventional piezoelectric sensors. This will be a high level of integration possible, if several vibration structures integrated on a vibration sensor should be.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingungssensor zur Messung von Körperschall vorgesehen. Unter Körperschall wird Schall verstanden, der sich in einem festen Körper ausbreitet. Beispiele für einen derartigen Körper sind z.B. im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik elektrische Maschinen bzw. deren Lager, die durch selbst- oder fremderegte Stöße eine Schallwelle auslösen. Eine derartige Schallwelle ist erst dann akustisch wahrnehmbar, wenn sie den entsprechenden Festkörper verlässt.at An advantageous embodiment of the invention is the vibration sensor for measuring structure-borne noise intended. Under structure-borne sound Sound is understood that spreads in a solid body. examples for such a body are e.g. in the field of automation and drive technology electrical Machines or their bearings, the self-or externally excited shocks a Sound wave trigger. Such a sound wave is only then acoustically perceptible, when she leaves the corresponding solid.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die erste schwingfähige Struktur aus einem Wafer aus halbleitendem Material gefertigt. In der Halbleiterindustrie existiert eine Vielzahl technologischer Prozesse, die eine exakte Herstellung kleinster schwingfähiger Strukturen erlauben. Als Wafermaterial bietet sich hierbei aus Kostengründen Silizium an. Jedoch ist auch die Verwendung eines Substratmaterials aus Galiummarsenit oder Siliziumkarbid etc. denkbar. Silizium zeichnet sich neben der vergleichsweise günstigen Materialkosten auch durch seine sehr einfache Prozessierbarkeit aus. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist daher die erste schwingfähige Struktur mittels Siliziumbulkmechanik und/oder Siliziumoberflächenmikromechanik gefertigt. Bei der Siliziumbulkmechanik werden aus einem Siliziumwafer durch beidseitiges Ätzen freistehende mechanische Strukturen gewonnen. Die Siliziumoberflächenmikromechanik zeichnet aus, dass die Waferoberfläche durch mehrere Ätz- und Abscheidungsvorgänge mechanisch strukturiert wird.In Advantageous embodiment of the invention is the first oscillatory structure made from a wafer of semiconducting material. In the semiconductor industry There are a lot of technological processes that are exact Production of the smallest oscillating Allow structures. As a wafer material this offers silicon for cost reasons at. However, it is also the use of a substrate material of galium marsenite or silicon carbide, etc. conceivable. Silicon stands out next to the comparatively cheap Material costs also due to its very easy processability out. In an advantageous embodiment of the invention is therefore the first oscillatory Structure by means of silicon bulk mechanics and / or silicon surface micromechanics manufactured. In silicon bulb mechanics, silicon wafers are used by etching on both sides gained freestanding mechanical structures. The silicon surface micromechanics characterized in that the wafer surface by a plurality of etching and deposition processes is mechanically structured.

Bei derartigen Verfahren lassen sich auch mikromechanische Strukturen zusammen mit elektrischen Schaltungen auf einen einzigen Mikrochip vereinigen. Beispielsweise kann zweckmäßigerweise hier die schwingfähige Struktur zusammen mit einer Elektronik auf einem Chip implementiert werden, wobei die Elektronik zur Auswertung der Messergebnisse vorgesehen ist. Durch eine derartige Integration lassen sich Fertigungskosten reduzieren und Lösungen realisieren, bei denen auf Grund der extrem geringen Trennung elektrischer und mechanischer Komponenten parasitäre Effekte bei der Messung bzw. deren Auswertung nahezu vernachlässigt werden können.at Such methods can also micromechanical structures together with electrical circuits on a single microchip unite. For example, expediently here, the oscillatory structure be implemented together with electronics on a chip, wherein the electronics provided for the evaluation of the measurement results is. Such integration can reduce manufacturing costs and solutions realize, due to the extremely low separation of electrical and mechanical components parasitic effects in the measurement or their evaluation is almost neglected can be.

Je nach Richtung des abgestrahlten Schalls kann es vorteilhaft sein, in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung die erste schwingfähige Struktur senkrecht zur Waferebene schwingfähig auszuführen. Alternativ kann es in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein, die erste schwingfähige Struktur parallel zur Waferebene schwingfähig zu gestalten. Insbesondere mit Hilfe der Siliziumbulkmechanik und/oder Siliziumoberflächenmikromechanik ist die Schwingungsrichtung der ersten schwingfähigen Struktur mit sehr vielen Freiheitsgraden wählbar.ever according to the direction of the radiated sound, it may be advantageous in an expedient embodiment of Invention the first oscillatory Structure perpendicular to the wafer plane perform oscillatory. Alternatively, it can be in further advantageous embodiment of the invention be expedient the first oscillatory Structure parallel to the wafer plane to vibrate. Especially with the help of silicon bulb mechanics and / or silicon surface micromechanics is the direction of vibration of the first oscillatory structure with very many Degrees of freedom selectable.

Eine sehr einfache Detektion stoßförmiger Anregungen kann erzielt werden, wenn bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Schwingungssensor Mittel zur Bestimmung der stoßförmigen Anregung auf Basis einer Messung der elektrischen Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur in einem angeregten Zustand aufweist. Die erste schwingfähige Struktur lässt sich derart ausgestalten, dass sie einen Kondensator bildet, dessen Kapazität abhängig von der Auslenkung der Struktur ist. Der Zusammenhang zwischen der Kapazität der schwingfähigen Struktur und dessen Auslenkung lässt sich über die Geometrie der Struktur einstellen. Aus einer Messung der Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur kann auf diese Art und Weise die Auslenkung der schwingfähigen Struktur bestimmt werden, um so wiederum Rückschlüsse auf die stoßförmige Anregung zu ziehen. Eine entsprechende Elektronik, die eine derartige Auswertung leistet, lässt sich insbesondere bei einer mikromechanischen Implementierung des Schwingungssensors auf einem Halbleiterchip sehr gut integrieren.A very simple detection of impulsive stimuli can be achieved, if in an advantageous embodiment the invention of the vibration sensor means for determining the shock-shaped excitation based on a measurement of the electrical capacitance of the first oscillatory structure in has an excited state. The first oscillatory structure let yourself configured such that it forms a capacitor whose capacity depends on the deflection of the structure is. The relationship between the capacity of the vibratory structure and its deflection leaves over adjust the geometry of the structure. From a measurement of the capacity of the first vibratory Structure can in this way the deflection of the oscillatory structure be determined, so in turn draw conclusions on the jerky excitation to draw. An appropriate electronics, such an evaluation achieves, lets especially in a micromechanical implementation of the Integrate vibration sensor on a semiconductor chip very well.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor mindestens eine zweite mikromechanisch gefertigte schwingungsfähige Struktur mit einer zweiten Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist. Unterscheidet sich die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz, so stehen für eine spätere Auswertung zwei Messfrequenzen im Ultraschallbereich zur Verfügung.A further advantageous embodiment of the Invention is characterized in that the vibration sensor at least one second micromechanically manufactured oscillatory structure with having a second resonant frequency in the ultrasonic range. different the first resonant frequency of the second resonant frequency, so stand for a later one Evaluation two measurement frequencies in the ultrasonic range available.

Hierbei ist es auch möglich, dass in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die erste schwingfähige Struktur einen ersten Messbereich aufweist, der sich mit einem zweiten Messbereich der zweiten schwingfähigen Struktur teilweise überlappt. Die Überlappung kann z.B. durch entsprechende Wahl der Güte der schwingfähigen Strukturen eingestellt werden. Besitzen erste und zweite schwingfähige Struktur eine relativ niedrige Güte, so kann eine Überlappung der Messbereiche auch dann erreicht werden, wenn erste und zweite Resonanzfrequenz relativ weit auseinander liegen. Auf diese Art und Weise ist es möglich, ein relativ großes Frequenzspektrum im Ultraschallbereich mit zwei schwingfähigen Strukturen abzudecken. Selbstverständlich ist auch denkbar und von der Erfindung umfasst, dass mehr als zwei schwingfähige Strukturen mit mehr als zwei Resonanzfrequenzen zur Messung stoßförmiger Anregung auf dem Schwingungssensor implementiert werden. So kann ein ganzes Array mikromechanisch gefertigter schwingfähiger Strukturen auf nur einen einzigen Chip implementiert werden, um so ein möglichst großes Frequenzspektrum für die nachfolgende Auswertung zur Verfügung zu haben.In this case, it is also possible that, in a further advantageous embodiment of the invention, the first oscillatable structure has a first measuring range which partially overlaps with a second measuring range of the second oscillatable structure. The overlap can be adjusted for example by appropriate choice of the quality of the oscillatory structures. If the first and second oscillatable structures have a relatively low quality, an overlapping of the measuring ranges can also be achieved if the first and second resonant frequencies are relatively far apart. In this way and Way, it is possible to cover a relatively large frequency spectrum in the ultrasonic range with two oscillatory structures. Of course, it is also conceivable and encompassed by the invention that more than two oscillatable structures with more than two resonance frequencies for measuring jerky excitation are implemented on the vibration sensor. Thus, an entire array of micromechanically manufactured oscillatable structures can be implemented on a single chip in order to have as large a frequency spectrum as possible for the subsequent evaluation.

Durch weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es sogar möglich, mit einem Schwingungssensor Schwingungsrichtungen in allen drei Raumdimensionen detektieren zu können. Bei einer derartigen vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist der Schwingungssensor eine dritte schwingfähige Struktur auf, deren Schwingungsrichtung im Wesentlichen orthogonal sowohl zu der Schwingungsrichtung der ersten als auch zu der Schwingungsrichtung der zweiten Struktur ist. Hierdurch wird durch die Schwingungsrichtungen der ersten, zweiten und drit ten schwingfähigen Struktur ein kompletter dreidimensionaler Vektorraum aufgespannt. Dies ermöglicht die Detektion von stoßförmigen Anregungen aus allen drei Raumdimensionen.By Another embodiment of the invention, it is even possible with a vibration sensor vibration directions in all three spatial dimensions to be able to detect. In such an advantageous embodiment of the invention the vibration sensor has a third oscillatable structure whose direction of vibration substantially orthogonal to both the direction of vibration of the first as well as to the vibration direction of the second structure is. This is due to the vibration directions of the first, second and third oscillatory Structure a complete three-dimensional vector space spanned. this makes possible the detection of shock-shaped excitations from all three room dimensions.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.in the Below, the invention with reference to the figures shown in the figures Embodiments explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 einen Schwingungssensor mit einer ersten, senkrecht zur Waferebene schwingfähigen Struktur, 1 a vibration sensor having a first structure, which can be oscillated perpendicular to the wafer plane,

2 einen Schwingungssensor mit einer zweiten, parallel zur Waferebene schwingfähigen Struktur, 2 a vibration sensor with a second, parallel to the wafer plane oscillatable structure,

3 eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array schwingfähigen Strukturen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, 3 a schematic representation of a vibration sensor with an array oscillatable structures with different resonance frequencies,

4 einen Frequenzgang des Schwingungssensors mit dem Array schwingfähiger Strukturen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, 4 a frequency response of the vibration sensor with the array oscillating structures with different resonance frequencies,

5 eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array verschiedener Strukturen mit verschiedenen Schwingungsrichtungen und 5 a schematic representation of a vibration sensor with an array of different structures with different vibration directions and

6 ein Layout eines mikromechanisch gefertigten Schwingungssensors. 6 a layout of a micromechanically manufactured vibration sensor.

1 zeigt einen Schwingungssensor mit einer ersten, senkrecht zur Waferebene schwingfähigen Struktur. Mittels in der Halbleitertechnik üblicher Lithographie und Ätzschritte ist aus einem ersten Wafer eine seismische Masse 1 produziert worden, die durch Federelemente 2 beweglich gelagert ist. Dieser erste Wafer 3 ist mit Hilfe von Silicon Fusion Bonding mit einem zweiten Wafer 4 verbunden worden. Das Silicon Fusi on Bonding ermöglicht es, den ersten Wafer 3 und den zweiten Wafer 4 zunächst separat zu produzieren und anschließend miteinander zu Bonden, so dass eine feste Bondverbindung 5 zwischen den beiden Halbleiterwafern 3, 4 entsteht. Der zweite Wafer 4 ist z.B. über eine Lötverbindung auf einen Schaltungsträger 6 montiert. 1 shows a vibration sensor with a first, oscillatable perpendicular to the wafer plane structure. By means of lithography and etching steps customary in semiconductor technology, a first wafer becomes a seismic mass 1 produced by spring elements 2 is movably mounted. This first wafer 3 is using Silicon Fusion Bonding with a second wafer 4 been connected. The silicone fusion bonding makes it possible to use the first wafer 3 and the second wafer 4 initially to produce separately and then to bond together, so that a solid bond 5 between the two semiconductor wafers 3 . 4 arises. The second wafer 4 is eg via a solder connection to a circuit carrier 6 assembled.

Die Vorzugsrichtung der dargestellten schwingfähigen Struktur liegt in diesem Fall senkrecht zur Waferebene. Man spricht hierbei auch von einer Out-of-Plane Anordnung. Bei einer Anregung senkrecht zur Waferebene wird die seismische Masse 1 relativ zu dem zweiten Wafer 4 bewegt.The preferred direction of the illustrated oscillatable structure is in this case perpendicular to the wafer plane. This is also called an out-of-plane arrangement. When excited perpendicular to the wafer plane, the seismic mass becomes 1 relative to the second wafer 4 emotional.

Die auf dem ersten und zweiten Wafer 3, 4 gefertigten Teilstrukturen bilden eine elektrische Kapazität, deren Wert abhängig von der Auslenkung der seismischen Masse 3 gegenüber dem zweiten Wafer 4 ist. Diese Kapazitätsänderung kann z.B. dadurch gemessen werden, dass erster und zweiter Wafer 3, 4 metallisierte Kontakte 7 aufweisen, die über Bonddrähte 8 mit dem Schaltungsträger 6 kontaktiert werden. Auf dem Schaltungsträger 6 befindet sich schließlich eine Verstärkerschaltung, mit der die durch die dynamischen Kapazitätsänderungen erzeugten Umladeströme verstärkt werden können. Weiterhin ist auf dem Schaltungsträger 6 eine Auswerteschaltung vorgesehen, mit der die stoßförmigen Anregungen, die den dargestellten Schwingungssensor zum Schwingen anregen, auf Basis der gemessenen Umladeströme bestimmt werden können.The on the first and second wafers 3 . 4 fabricated substructures form an electrical capacitance whose value depends on the deflection of the seismic mass 3 opposite the second wafer 4 is. This change in capacitance can be measured, for example, by first and second wafers 3 . 4 metallized contacts 7 have, over the bonding wires 8th with the circuit carrier 6 be contacted. On the circuit board 6 Finally, there is an amplifier circuit with which the Umladeströme generated by the dynamic capacitance changes can be amplified. Furthermore, on the circuit carrier 6 an evaluation circuit is provided, with which the shock-shaped excitations, which excite the vibration sensor shown to vibrate, based on the measured Umladeströme can be determined.

Der Messbereich des dargestellten Schwingungssensors liegt im Ultraschallbereich. Um dies zu gewährleisten, ist die Resonanzfrequenz der schwingungsfähigen Struktur auf den Ultraschallbereich dimensioniert worden. Eine Dimensionierung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise durch entsprechende Gestaltung des Federelementes 2 und durch Wahl der seismischen Masse 1 erreicht werden. Je schwerer die seismische Masse 1 ist, desto niedriger ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Struktur.The measuring range of the vibration sensor shown is in the ultrasonic range. To ensure this, the resonant frequency of the oscillatory structure has been dimensioned to the ultrasonic range. A dimensioning of the resonance frequency, for example, by appropriate design of the spring element 2 and by choosing the seismic mass 1 be achieved. The heavier the seismic mass 1 is, the lower is the resonance frequency of the oscillatory structure.

2 zeigt einen Schwingungssensor mit einer zweiten parallel zur Waferebene schwingfähigen Struktur. Der dargestellte Schwingungssensor ist ebenfalls aus zwei Siliziumwafern mit Hilfe der Siliziumbulkmechanik bzw. der Siliziumoberflächenmmikromechanik gefertigt worden und dient der Bestimmung stoßförmiger Anregungen im Ultraschallbereich. Hierzu ist zunächst in einem ersten Wafer 3 eine Grube 9 geätzt worden. Anschließend wurde ein zweiter Wafer 4 durch Silicon Fusion Bonding auf den ersten Wafer 3 aufgebondet und auf die gewünschte Strukturhöhe abgedünnt. Im darauf folgenden Prozessschritt wurde der zweite Wafer 4 mittels Trockenätzen (DRIE) partiell komplett durchgeätzt, so dass oberhalb der Grube 9 eine frei bewegliche seismische Masse 1 entsteht. Die Vorzugsrichtung für die Schwingung einer derartigen schwingfähigen Struktur ist parallel zur Waferebene. Eine solche Anordnung wird auch als In-Plane Anordnung bezeichnet. 2 shows a vibration sensor with a second oscillatable parallel to the wafer plane structure. The illustrated vibration sensor is likewise made of two silicon wafers with the aid of the silicon bulb mechanism or the silicon surface mmi kromechanik has been manufactured and serves the determination of jerky excitations in the ultrasonic range. This is first in a first wafer 3 a pit 9 been etched. Subsequently, a second wafer 4 Silicon Fusion Bonding on the first wafer 3 Bonded and thinned to the desired structural height. In the following process step became the second wafer 4 By dry etching (DRIE) partially completely etched through, so that above the pit 9 a freely moving seismic mass 1 arises. The preferred direction for the vibration of such a vibratory structure is parallel to the wafer plane. Such an arrangement is also referred to as in-plane arrangement.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array schwingfähiger Strukturen 11 ... 18 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, wobei sämtliche Resonanzfrequenzen im Ultraschallbereich liegen. U.a. sind die jeweiligen seismischen Massen 1 der einzelnen schwingfähigen Strukturen 11 ... 18 des Arrays schematisch dargestellt. Sämtliche schwingfähige Strukturen 11 ... 18 sind auf einem einzelnen Siliziumchip realisiert. Durch die Wahl der seismischen Massen 1 kann die Resonanzfrequenz jeder einzelnen schwingfähigen Struktur eingestellt werden. Hierbei weist eine erste schwingfähige Struktur 11 die größte seismische Masse 1 auf und hat somit die niedrigste Resonanzfrequenz. Insgesamt weist die Struktur acht seismische Massen 1 auf, wobei die seismischen Massen von der ersten schwingfähigen Struktur 11 über eine zweite und dritte schwingfähige Struktur 12, 13 bis hin zu einer achten schwingfähigen Struktur 18 kontinuierlich abnehmen. Größere seismische Massen 1 sind hierbei durch größere Rechtecke, kleinere seismische Massen 1 durch kleinere Rechtecke dargestellt. Die Resonanzfrequenzen der einzelnen schwingfähigen Strukturen 11 ... 18 des Arrays sind gestuft angeordnet, um einen kompletten Frequenzbereich im Ultraschallbereich abdecken zu können. Beispielsweise decken die dargestellten acht schwingfähigen Strukturen 11 ... 18 des Arrays einen Frequenzbereich zwischen 30 und 100 kHz ab, wobei sich die einzelnen Resonanzfrequenzen um jeweils 10 kHz voneinander unterscheiden. 3 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of oscillatory structures 11 ... 18 with different resonance frequencies, with all resonant frequencies in the ultrasonic range. These include the respective seismic masses 1 the individual oscillatory structures 11 ... 18 of the array shown schematically. All vibrational structures 11 ... 18 are realized on a single silicon chip. By the choice of seismic masses 1 The resonance frequency of each individual oscillatory structure can be adjusted. This has a first oscillatory structure 11 the largest seismic mass 1 on and thus has the lowest resonance frequency. Overall, the structure has eight seismic masses 1 on, with the seismic masses of the first oscillatory structure 11 via a second and third oscillatory structure 12 . 13 up to an eighth swingable structure 18 decrease continuously. Larger seismic masses 1 are here by larger rectangles, smaller seismic masses 1 represented by smaller rectangles. The resonance frequencies of the individual oscillatory structures 11 ... 18 of the array are arranged in steps to cover a complete frequency range in the ultrasonic range can. For example, the illustrated eight oscillatory structures cover 11 ... 18 of the array from a frequency range between 30 and 100 kHz, wherein the individual resonance frequencies differ by 10 kHz from each other.

4 zeigt den Frequenzgang des Schwingungssensors mit dem Array schwingfähiger Strukturen 11 ... 18 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, der in 3 dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Güte dieser einzelnen schwingfähigen Strukturen des Arrays derart gewählt worden, dass sich ihre jeweiligen Frequenzbereiche überlappen. Auf diese Art und Weise kann ein Frequenzfenster im Ultraschallbereich nahezu kontinuierlich erfasst werden. 4 shows the frequency response of the vibration sensor with the array oscillating structures 11 ... 18 with different resonance frequencies, the in 3 is shown. In this embodiment, the quality of these individual oscillatable structures of the array has been chosen such that their respective frequency ranges overlap. In this way, a frequency window in the ultrasonic range can be detected almost continuously.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array schwingfähiger Strukturen mit verschiedenen Schwingungsrichtungen. Beispielhaft sind hier nur zwei schwingfähige Strukturen aufgezeigt, wobei die Vorzugsrichtungen der beiden schwingfähigen Strukturen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich stoßförmige Anregungen detektieren, wobei eine Auflösung bezüglich zweier Raumdimensionen erzielt werden kann. Um schließlich auch die dritte Raumdimension abbilden zu können, ließe sich das hier dargestellte Schwingungsmesssystem durch eine weitere schwingfähige Struktur ergänzen, deren Vorzugsrichtung orthogonal zu der Schwingungsrichtung beider hier dargestellten schwingungsfähigen Strukturen ausgerichtet ist. 5 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of vibratory structures with different directions of vibration. By way of example, only two oscillatable structures are shown here, the preferred directions of the two oscillatable structures being oriented orthogonally to one another. With such an arrangement, shock-shaped excitations can be detected, wherein a resolution with respect to two spatial dimensions can be achieved. In order finally to be able to image the third spatial dimension, the vibration measuring system shown here could be supplemented by a further oscillatable structure whose preferred direction is aligned orthogonal to the direction of vibration of both oscillatory structures shown here.

6 zeigt ein Layout eines mikromechanisch gefertigten Schwingungssensors. Es handelt sich hierbei um einen In-Plane-Schwinger, d.h. die Vorzugsrichtung der schwingfähigen Strukturen ist parallel zur Waferebene ausgerichtet. In diesem Fall umfasst der Schwingungssensor eine kammartig ausge führte seismische Masse 1, die an zwei Seiten zumindest teilweise in ebenfalls kammartig ausgeführte Messelektronen 10 eingreift. Die seismische Masse 1 ist an vier Federelementen 2 aufgehängt. Die Resonanzfrequenz des dargestellten Schwingungssensors im Ultraschallbereich wird über die Länge der Federelemente 2 und das Gewicht der seismischen Masse 1 eingestellt. Auch hier erfolgt die Signalgewinnung durch Auswertung der Kapazitätsänderung zwischen der seismischen Masse 1 und den Messelektronen. Die Abmessung einer solchen schwingfähigen Struktur liegt bei etwa 500 × 500 Mikrometer. 6 shows a layout of a micromechanically manufactured vibration sensor. This is an in-plane oscillator, ie the preferred direction of the oscillatory structures is aligned parallel to the wafer plane. In this case, the vibration sensor comprises a comb-like seismic mass 1 , which on two sides at least partially in likewise comb-like measuring electrons 10 intervenes. The seismic mass 1 is on four spring elements 2 suspended. The resonant frequency of the vibration sensor shown in the ultrasonic range is over the length of the spring elements 2 and the weight of the seismic mass 1 set. Again, the signal is obtained by evaluating the capacitance change between the seismic mass 1 and the measuring electrons. The dimension of such a vibratable structure is about 500 × 500 microns.

Claims

Vibration sensor with at least a first micromechanically manufactured oscillatory structure, which is characterized by a jerky excitation is excitable and a first resonant frequency in the ultrasonic range having.

A vibration sensor according to claim 1, wherein the vibration sensor for measuring structure-borne noise is provided.

A vibration sensor according to claim 1 or 2, wherein said first oscillatory Structure is made of a wafer of semiconductive material.

A vibration sensor according to claim 3, wherein the first vibratory Structure by means of silicon-bulk mechanics and / or silicon surface micromechanics is made.

Vibration sensor according to claim 3 or 4, wherein the first oscillatory structure perpendicular to Wafer level is oscillatable.

A vibration sensor according to claim 3 or 4, wherein said first oscillatory Structure is vibratable parallel to the wafer plane.

Vibration sensor according to one of claims 1 to 6, wherein the vibration sensor means for determining the shock-like excitation based on a measurement of the electrical capacitance of the first oscillatory structure in an excited state identifies.

Vibration sensor according to one of claims 1 to 7, wherein the vibration sensor at least one second micromechanical manufactured oscillating Structure with a second resonance frequency in the ultrasonic range having.

A vibration sensor according to claim 8, wherein the first vibratory Structure has a first measuring range, with a second Measuring range of the second oscillatory Structure partially overlapped.

Vibration sensor according to one of claims 8 or 9, wherein the first and the second micromechanically fabricated structure have different directions of vibration.

Vibration sensor according to one of claims 8 to 10, wherein the vibration sensor, a third oscillatory structure whose oscillation direction is substantially orthogonal both to the vibration direction of the first as well as to the vibration direction the second structure is.

Method of manufacturing a vibration sensor, in which at least one first oscillatory structure, by a jerky excitation is excitable and a first resonant frequency in the ultrasonic range has micromechanically manufactured.

The method of claim 12, wherein the vibration sensor is made of a wafer of semiconducting material.

The method of claim 13, wherein the vibration sensor using silicon-bulk mechanics and / or silicon surface micromechanics is manufactured.