Richi´s Lab

AIS328DQ 3-Achsen-Beschleunigungssensor

AIS328DQ

ST Microelectronic fertigt unter der Bezeichnung AIS328DQ einen 3-Achsen Beschleunigungssensor, der in einem kleinen, aber relativ hohes QFN24-Package untergebracht ist (4 x 4 x 1,8 mm).

Der Messbereich lässt sich zwischen +/-2g, +/-4g und +/-8g variieren, die maximal mögliche Auflösung beträgt dabei 0,9mg. Beschleunigungen bis zu 10.000g übersteht der AIS328DQ beschädigungsfrei. Damit könnte man ihn schon fast in einem Artilleriegeschoss verbauen. Die Bandbreite liegt bei 500Hz. Die Stromaufnahme beträgt maximal 450µA. Im Low-Power-Mode sind 10µA möglich.

 

AIS328DQ Aufbau

Der Beschleunigungssensor ist aus zwei Elementen aufgebaut, einem relativ normal erscheinendem Die und einem darunter angeordneten Quader, der die MEMS-Elemente enthält. Will man einen MEMS-Sensor in ein Epoxidpackage integrieren, so ist ein derart abgeschlossener Bereich notwendig. Offene MEMS-Strukturen würden durch das Epoxidmaterial blockiert werden.

 

AIS328DQ Aufbau

Der Quader ist wiederum aus zwei Hälften zusammengesetzt. Auf einer Seite ist die obere Hälfte mittig ausgespart. Im so frei werdenden Bereich sind elf Bondpads platziert, die es ermöglichen das untere Element mit dem oberen zu verbinden.

 

AIS328DQ Aufbau

Das ganz linke Bondpad scheint das Massepotential zu übertragen. Ganz rechts ist ein weiteres Bondpad auf dem oberen Die massiv angebunden. Wahrscheinlich handelt es sich hier um das Biaspotential, das als Bezugspotential für die Kapazitätsmessungen der MEMS-Elemente dient. Es bleiben noch neun Bondpads. Die differentielle Kapazitätsmessung benötigt für drei Achsen neben dem Biaspotential mindestens sechs Kontakte. Es ist durchaus denkbar, dass jede Beschleunigungsrichtung ein eigenes Biaspotential besitzt. Das würde die restlichen drei Potentiale erklären. Die Beschriftung der unteren Bondpads ist verdeckt, lässt aber an einige Zeichenfolgen erahnen, darunter zum Beispiel: 1X, 1Y, 2X und 2Y.

 

AIS328DQ Die

Die Strukturen der Signalverarbeitung sind zu klein, als dass man sie analyiseren könnte. Dennoch ist deutlich zu erkennen, dass die untere Hälfte des Dies andere Formen enthält als die obere Hälfte. Während im unteren Bereich die Kapazitätsmessung und die Analog-Digital-Wandlung erfolgen muss, stellt der obere Bereich nur noch die digitale Signalverarbeitung dar. Entsprechend sind dort die bekannten Logikstrukturen zu erkennen.

 

AIS328DQ Die Detail

Das Die trägt die Bezeichnung V683A.

 

AIS328DQ MEMS fail

Das Die lässt sich sich relativ leicht vom darunter liegenden Quader lösen. Die Verbindung der zwei Quaderhälften widersteht aber selbst sehr hohen Temperaturen, so dass sie sich nur mechanisch trennen lassen. Die relativ grobe Spaltung mit einem Teppichmesser führt leider nicht immer zu einem brauchbaren Ergebnis. Bei diesem Sensor trennen sich die Hälften nur teilweise und das MEMS-System ist bereits merklich beschädigt.

 

AIS328DQ MEMS

AIS328DQ MEMS

Im Inneren des Quaders befinden sich zwei MEMS-Elemente. Die obere Quaderhälfte besitzt über dem länglichen Element eine rechteckige Aussparung mit zwei kurzen, ins Innere ragende Streifen.

 

AIS328DQ MEMS

Mit einer etwas anderen Belichtung ist gerade so zu erkennen, dass sich unter den MEMS-Elementen rötliche Bereiche befinden, die höchstwahrscheinlich elektrische Zuleitungen darstellen.

 

AIS328DQ MEMS

Das linke MEMS-Element dient der Erkennung von X- und Y-Beschleunigungen.

Der gelochte Rahmen stellt die Masse dar, die bei einer Beschleunigung aus der Ruhelage ausgelenkt wird. Die länglichen Federn im Rahmen wirken dabei der Bewegung entgegen. Als Fixpunkt dient ihnen das mittige Kreuz, an das sie mit langen Streifen angebunden sind. Durch diesen Aufbau stellt die Anbindung an das Zentrum für die eine Bewegungsrichtung einen Fixpunkt dar, während es für die andere Bewegungsrichtung flexibel ist.

Um den Rahmen herum sind Anschläge angebracht, die höchstwahrscheinlich notwendig sind, um die Auslenkung des Rahmens zu begrenzen und so die Strukturen bei hohen Beschleunigungswerten zu schützen.

Die vier quadratischen Elemente im Inneren des Rahmens beinhalten die ineinander greifenden Kondensatorelektroden, die die minimalen Bewegungen des Systems über ihre Kapazitätsänderung messbar machen. Die inneren Elemente sind wie das mittige Kreuz am Substrat fixiert.
Die Anordnung von X- und Y-Sensoren über Kreuz ist notwendig, damit Verschiebungen in eine Richtung nicht auch zu Kapazitätsänderungen bei den Elektroden für die orthogonale Richtung führen. Jedes Elektrodenpaket besitzt an den Enden etwas Freiraum, so dass Bewegungen in Längsrichtung nicht zu Zusammenstößen führen. Das verhindert aber nicht, dass die dadurch reduzierte oder erhöhte Elektrodenlänge eine niedrigere oder höhere Kapazität darstellt. Durch die Anordnung von zwei Elektrodenpaketen über Kreuz kompensieren sich diese unerwünschten Änderungen.

 

AIS328DQ MEMS

Das rechte Element dient der Erkennung von Beschleunigungen in Z-Richtung.

Der optischen Erscheinung nach zu schließen macht dieses Element die Beschleunigung über die Verkippung der gelochten Fläche messbar. Dabei dienen die dünnen Streifen in dem massiven Element als Torsionsfedern, die der Verkippung entgegen wirken. Die außermittige Anordnung des Drehpunkts ist notwendig, damit die Fläche bei Beschleunigungen in Z-Richtung überhaupt kippt.

Die Aussparung in der oberen Quaderhälfte bietet den notwendigen Freiraum für die Auslenkung des Elements. Die zwei seitlichen Streifen in dieser Aussparung befinden sich in der Verlängerung des massiven Elements mit den Torsionsfedern. Vermutlich dienen die Streifen als Anschläge bei sehr hohen Beschleunigungswerten.

Da keine Kondensatorelektroden zu erkennen sind, muss man davon ausgehen, dass sie sich unterhalb des gelochten Elements befinden.

Am rechten Rand ist eine weitere Struktur integriert, die beim Freilegen massiveren Schaden genommen hat und deren Funktion sich entsprechend nicht ohne Weiteres klären lässt. Vermutlich handelt es sich schlicht um eine Teststruktur.

 

 

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