Titel

Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zum Betrieb eines

mikromechanischen Bauelements

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des

Anspruchs 1 und einem mikromechanischen Bauelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Mikromechanische Bauelemente dieser Art (microelectromechanical Systems, MEMS) mit schwingungsfähigen Strukturen sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Eines der Anwendungsgebiete solcher Bauelemente ist beispielsweise der Einsatz als Drehratensensoren im

Automobilbereich oder in der Unterhaltungselektronik. Außerdem werden mikromechanische Strukturen bei der Steuerung von Mikrospiegeln in

Mikroprojektoren und Mikroscannern verwendet. Alle diese Anwendungen verwenden schwingende mikromechanische Strukturen, die geeignete

Schwingungsmoden (Eigenmoden) aufweisen, die für die bestimmungsgemäße Funktion ausgenutzt werden können. Drehratensensoren verwenden

Antriebsmoden um Detektionsstrukturen in resonante Schwingungen zu versetzen. Die Detektionsstrukturen detektieren dann Drehgeschwindigkeiten über die Messung der auftretenden Coriolisbeschleunigungen mit Hilfe von Detektionsmoden, die durch diese Beschleunigungen angeregt werden.

Mikrospiegel verwenden bestimmte Schwingungsmoden um die Spiegel bestimmungsgemäß auszulenken. Der Antrieb der mikromechanischen

Strukturen erfolgt dabei elektrostatisch oder piezoelektrisch, wobei jedoch auch andere physikalischen Prinzipien möglich sind, wie beispielsweise magnetische oder elektrodynamische Antriebe.

In vielen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft z.B. Drehratensensoren im sogenannten Closed-Loop-Modus zu betreiben. Eine anliegende Drehrate führt zu einer Anregung der Detektionsmode, die durch Feedback- Elektroden in die Ruhelage zurückgeregelt wird. Die zur Kompensation benötigten Kräfte sind hier das Messsignal. Im Gegensatz dazu dient im Open-Loop-Betrieb die Auslenkung der Detektionsmode direkt als Messsignal. Beim Closed- Loop- Betrieb ist es wichtig, dass Antriebs- und Detektionsmode die (nahezu exakt) gleiche Frequenz aufweisen. Um dies auch bei herstellungsbedingten Schwankungen sicher zu stellen, werden häufig die Detektionsmoden z.B. einige 100 Hz höher als die Antriebsfrequenz ausgelegt und dann mittels zusätzlicher Elektroden abgesenkt. Diese Mitkoppelelektroden nehmen zusätzlichen Raum ein und die Spannungen müssen in der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application- specific integrated Circuit, ASIC) vorgehalten werden, so dass zusätzliche Kosten und ein erhöhter Stromverbrauch gegenüber Open-Loop-Systemen entstehen. Mikromechanische Strukturen, wie sie in den genannten Systemen zum Einsatz kommen, weisen aber neben den erwünschten Nutzmoden (z.B. Antrieb und Detektion) prinzipiell viele weitere Schwingungsmoden auf, von denen einige zu unerwünschten und nachteiligen Effekten führen können. So zeigen

Drehratensensoren immer wieder nachteilige Eigenschaften in ihrem

Offsetverhalten, z.B. sogenannte Offsetsprünge. Diese Effekte treten dann auf, wenn neben den Nutzmoden eine oder auch mehrere weitere, parasitäre

Schwingungsmoden angeregt werden, die auf Grund ihrer Schwingungsformen zu Störungen in den Detektionssignalen führen. Bei Mikrospiegeln kann es Vorkommen, dass sich unter bestimmten Umständen größere Auslenkungen der Spiegel nicht erreichen lassen, da die Antriebsenergie in die parasitären

Schwingungsmoden fließt und damit nicht für die gewünschten Auslenkungen zur Verfügung steht. Diese Schwingungen können unter Umständen sogar zu unerwünschten mechanischen Anschlägen und im schlimmsten Fall zum

Strukturbruch führen. Dies versucht man bisher dadurch zu vermeiden, dass im Design der mikromechanischen Strukturen verhindert wird, parasitäre

(unerwünschte, höhere) Schwingungsmoden genau bei ganzzahligen Vielfachen der Antriebsfrequenz zu platzieren. Dadurch wird die Anregung der parasitären Schwingungsmoden durch Oberschwingungen (ganzzahlige Vielfache) der Antriebsfrequenz vermieden. Es ist allerdings schwierig, zu gewährleisten, dass dies auch bei durch Fertigungstoleranzen bedingten Streuungen der Frequenzen erfüllt ist.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zum Betrieb des

Bauelements zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Frequenz der

Antriebsmode auf eine Zielfrequenz einstellen lässt, die mit der Frequenz der Detektionsmode übereinstimmt und die möglichst geringe Kopplung mit parasitären Schwingungsmoden aufweist.

Mit dem Verfahren gemäß dem Hauptanspruch kann die Frequenz von Moden (insbesondere der Antriebsmode) gezielt eingestellt werden, wobei die

Frequenzverschiebung als Funktion der Antriebsamplitude aufgrund

mechanischer nichtlinearer Effekte genutzt wird. Auf diese Weise kann durch Veränderung der Antriebsamplitude erreicht werden, dass Antriebs- und

Detektionsfrequenz (nahezu) identisch sind. Daraus ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik der Vorteil, dass die Mitkoppelelektroden im

mikromechanischen Bauelement und die entsprechenden elektrischen

Bauelemente im ASIC eingespart werden können. Zusätzlich kann damit das durch die Mitkoppelelektroden verursachte Rauschen verhindert wird. Hierbei kann vorteilhaft sein, dass sich auch die Frequenzen der Detektionsmoden als Funktion der Antriebsamplitude verändern können. Außerdem kann die

Verschiebung der Antriebsmode gezielt so eingestellt werden, dass diese keine der oben genannten Frequenzbedingungen zur Anregung von Parasitärmoden erfüllt.

Die erfindungsgemäße gezielte Verschiebung einzelner Schwingungsfrequenzen als Funktion der Antriebsamplitude wird durch die Ausnutzung einer

mechanischen Nichtlinearität der schwingungsfähigen Struktur erreicht.

Modellhaft lässt sich dieser Effekt anhand der Duffing-Gleichung darstellen. Dabei handelt es sich um die Bewegungsgleichung für ein schwingungsfähiges System, das zusätzlich zu dem üblichen linearen Zusammenhang zwischen Amplitude und rückstellender Kraft einen weiteren Term aufweist, der ein

Anwachsen der rückstellenden Kraft mit der dritten Potenz der Amplitude beschreibt und der insbesondere bei größeren Auslenkungen verstärkt zum Tragen kommt. Der Einfluss dieses nichtlinearen Terms und damit die Stärke der mechanischen Nichtlinearität wird durch einen Parameter ß ₀ charakterisiert und hängt von den im Design des Bauelements benutzen Federstrukturen ab. Die Frequenz / der Schwingung eines Duffing-Oszillators ist gegenüber dem linearen Fall nicht mehr von der Auslenkung unabhängig, sondern wird mit wachsender Auslenkung a gegenüber der Basisfrequenz f ₀ (d.h. der Frequenz bei kleinen Auslenkungen, bei denen die Nichtlinearität vernachlässigbar klein ist) in folgender Weise verschoben:

Die Verschiebung ist also proportional zur Stärke ß ₀ der Nichtlinearität und steigt quadratisch mit der Auslenkung a an. Der Nichtlinearitätsparameter ß ₀ kann dabei positiv oder negativ sein. Der Fall ß _o> 0 entspricht einer Rückstellkraft, die bei größeren Auslenkungen stärker als linear anwächst („Versteifung“ der Feder), während der Fall ß _o< 0 einer Rückstellkraft entspricht, die bei größeren

Auslenkungen gegenüber dem linearen Verhalten abgeschwächt wird

(,, Aufweichung“ der Feder). Im ersten Fall wird die Frequenz bei größeren Auslenkungen zu höheren Frequenzen hin verschoben, im zweiten Fall wird die Frequenz gegenüber der Basisfrequenz f ₀ verringert. Beide Effekte sind in MEMS-Strukturen realisierbar und lassen in sich in der erfindungsgemäßen Weise für eine Frequenzverschiebung ausnutzen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Massenschwinger zu einer, senkrecht zur Antriebsschwingung

verlaufenden Detektionsschwingung anregbar, wobei die Zielfrequenz im

Wesentlichen gleich der Frequenz der Detektionsschwingung ist. Ein

Massenschwinger mit zwei senkrecht aufeinander stehenden

Schwingungsmoden bildet häufig die Basis einer Reihe von Inertialsensoren, insbesondere von Drehratensensoren. Die Antriebsschwingung wird dabei von der Antriebsstruktur angeregt, während die Detektionsschwingung durch äußere Kräfte, beispielsweise durch die Corioliskraft angeregt wird und dadurch eine Messung dieser äußeren Einflüsse ermöglicht wird. Dafür ist es erstrebenswert, dass die Frequenzen von Antriebsschwingung und Detektionsschwingung möglichst exakt zusammenfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, eine Diskrepanz zwischen den beiden Frequenzen zu kompensieren. Vorzugsweise ist dafür die schwingungsfähige Struktur so beschaffen, dass die Basisfrequenz der Antriebsschwingung relativ zur Detektionsfrequenz gezielt versetzt ist und der Versatz zusammen mit den fertigungsbedingten Schwankungen durch die erfindungsgemäße Verschiebung der Antriebsfrequenz ausgeglichen wird. Bei einer Nichtlinearität mit ß _o >0 ist der Versatz vorzugsweise negativ gewählt, d.h. die Basisfrequenz ist ursprünglich kleiner als die Detektionsfrequenz und wird durch Vergrößerung der Amplitude zur Detektionsfrequenz hin verschoben. Umgekehrt ist der Versatz bei einer Nichtlinearität mit ß _o <0 vorzugsweise positiv, so dass der Versatz durch die Erhöhung der Frequenz bei großen Amplituden ausgeglichen wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das mikromechanische Bauelement eine Mitkoppelelektrode auf, wobei die Mitkoppelelektrode durch elektrostatische Kopplung an den Massenschwinger die Frequenz der Detektionsschwingung absenkt.

Mitkoppelektroden zur Beeinflussung der Detektionsfrequenz sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Durch ein Zusammenspiel mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich ein Frequenzabgleich zwischen Antriebsfrequenz und Detektionsfrequenz vorteilhafterweise so ausführen, dass die Mitkoppelelektrode die Detektionsfrequenz ein Stück weit absenkt, so dass Antriebsfrequenz und Detektionsfrequenz näher zusammenrücken. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann nun zusätzlich eine Erhöhung der

Antriebsfrequenz durchgeführt werden, so dass die beiden Frequenzen schließlich zusammenfallen. Da die Mitkoppelelektrode dabei nur einen Teil der Kompensation übernimmt, können die entsprechenden Strukturen (d.h. die Elektrode selbst und die zugehörigen Regelkreise) vorteilhafterweise kleiner ausfallen und die für die Kompensation notwendige Spannung an der

Mitkoppelelektrode kann vorteilhafterweise reduziert werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Zielfrequenz derart gewählt ist, dass die Antriebsschwingung minimale Kopplung mit parasitären Schwingungsmoden aufweist. Das

Frequenzspektrum der schwingungfähigen Struktur enthält neben der

Eigenfrequenz in der Regel weitere Frequenzen, die bei ganzzahligen Vielfachen der Eigenfrequenz positioniert sind (Oberschwingungen oder höhere

Harmonische). Um diese Oberschwingungen möglichst weitgehend von parasitären Moden zu entkoppeln, ist es erstrebenswert, dass die Antriebsmode und ihre höheren Harmonischen im Frequenzspektrum möglichst wenig Überlapp mit den parasitären Moden aufweisen, bzw. von diesen möglichst weit beabstandet sind. Die erfindungsgemäße Verschiebung der Frequenz der Antriebsmode kann vorteilhafterweise so eingerichtet werden, dass dieser Abstand maximiert wird und die sich daraus ergebende Kopplung mit den parasitären Moden minimiert wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Einstellung auf die Zielfrequenz durch eine Vergrößerung der Amplitude der Antriebsschwingung.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 5. Der Massenschwinger und die zugehörige Aufhängung sind dabei so beschaffen, dass das Schwingungsverhalten eine nichtlineare Charakteristik aufweist, dass also die rückstellende Kraft und die Auslenkung in nichtlinearer Weise Zusammenhängen. Die dadurch verursachte Amplitudenabhängigkeit der Frequenz kann entweder positiv sein (ß _o >0) und eine Vergrößerung der Frequenz bei großen Amplituden bewirken oder entsprechend negativ ausfallen (ß _o <0), so dass eine Vergrößerung der Amplitude zu einer Verringerung der Frequenz führt. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß dazu genutzt, die Antriebsfrequenz durch Anpassung der Amplitude so zu verschieben, dass sie mit einer gewünschten Zielfrequenz übereinstimmt. Dazu wird der Massenschwinger durch die Antriebsstruktur zu Auslenkungen angeregt, die außerhalb des linearen Bereichs liegen (d.h. außerhalb des Bereichs, in dem rückstellende Kraft und Auslenkung im Wesentlichen proportional zueinander sind). Dazu kann die Antriebsstruktur beispielsweise eine Kontrolleinheit aufweisen, die die Stärke des Antriebs so einstellt oder regelt, dass über die Amplitude des Massenschwingers die gewünschte Antriebsfrequenz erzeugt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Massenschwinger durch mindestens eine Feder elastisch gelagert, wobei die Feder derart ausgebildet ist, dass eine Vergrößerung der Amplitude der Antriebsschwingung zu einer

Versteifung oder Aufweichung der Feder führt. Unter einer Versteifung ist hier zu verstehen, dass sich das Verhältnis aus rückstellender Kraft und Auslenkung mit wachsender Auslenkung vergrößert (ß _o >0), während eine Aufweichung einer Verkleinerung dieses Verhältnisses entspricht (ß _o <0). Grundsätzlich weisen alle Federstrukturen eine solche Versteifung oder Aufweichung auf, wenn sie über den Bereich hinaus ausgelenkt werden, in dem das Verhältnis aus rückstellender Kraft und Auslenkung näherungsweise proportional ist. Erfindungsgemäß bevorzugt wird diese mechanische Nichtlinearität über die Gestaltung der Federn gezielt beeinflusst. Beispielsweise kann eine solche Beeinflussung über die Form oder den Querschnitt der Federn oder die Wahl des Materials erfolgen.

Verschiedene Möglichkeiten hierzu sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise eine für den entsprechenden Einsatz passend gewählte Nichtlinearität realisieren.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Bauelement eine Mittkoppelelektrode auf, die elektrostatisch an den Massenschwinger gekoppelt, wobei die elektrostatische Kopplung derart ausgebildet ist, dass die Frequenz der Detektionsschwingung abgesenkt wird. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Frequenzabgleich durch das Zusammenspiel von zwei verschiedenen Mechanismen erzeugt wird. Zum einen wird eine Verschiebung der

Antriebsfrequenz durch Ausnutzung der mechanischen Nichtlinearität

hervorgerufen und zum anderen wird die Detektionsfrequenz durch die Wirkung der Mitkoppelelektrode abgesenkt. Dieses Zusammenspiel erlaubt

vorteilhafterweise eine zusätzliche Flexibilität in der Gestaltung des

Bauelements, so dass sich beispielsweise ein Teilabgleich der Frequenzen über eine Mitkoppelelektrode mit reduzierten Dimensionen durchführen lässt, während die Kompensation der verbleibenden Abweichung durch die Anpassung der Antriebsamplitude vorgenommen wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform eines Massenschwingers mit einer nichtlinearen elastischen Lagerung.

Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Massenschwingers mit einer nichtlinearen elastischen Lagerung.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zur Anpassung der Frequenz der Detektionsschwingung gemäß dem Stand der Technik.

Figuren 4a bis 4c zeigt in einer schematischen Darstellung verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist eine mögliche Ausführungsform einer nichtlinearen Kopplung zwischen einem Massenschwinger 1 und dem Substrat dargestellt. Eine bewegliche Struktur 1 ist über Federn 2 an Ankerpunkten 3 mit dem Substrat verbunden und kann sich bevorzugt parallel zur y-Achse 6 bewegen. Dabei wirkt eine Ko mp ress io ns kraft in x- Richtung 5 auf den Federbalken 2, so dass sich die Eigenschaften der Feder 2 in Abhängigkeit von der Antriebsamplitude verändern. Insbesondere verändert sich dadurch die Frequenz als Funktion der

Antriebsamplitude. Durch eine passende Wahl der Steifigkeit der Feder 2 lässt sich diese Nichtlinearität und damit die Frequenzverschiebung einstellen.

In Figur 2 ist eine weitere mögliche Ausführungsform einer nichtlinearen

Kopplung zwischen einem Massenschwinger 1 und dem Substrat dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Federn 2 eine zusätzliche

Stressentlastungsstruktur 4 auf, durch deren Dimensionierung sich die

Nichtlinearität modifizieren lässt. In Figur 3 ist schematisch das Vorgehen für den Frequenzabgleich zwischen Antriebs- und Detektionsmode gemäß dem Stand der Technik dargestellt. In diesem und den nachfolgenden Diagrammen entspricht die die horizontale Achse 7 der Frequenz und die vertikale Achse 8 der Amplitude. Der hier dargestellte Fall entspricht einem linearen Verhalten der Antriebsmode, d.h. die Frequenz der Antriebsmode ist von der Amplitude unabhängig und weist daher den

dargestellten senkrechten Verlauf auf. Per Design wird die Resonanzfrequenz 9 der Detektionsmode so ausgelegt, dass diese sich um einige hundert Hertz über der Frequenz 10 der Antriebsmode befindet. Durch das Anlegen einer Spannung an die Mitkoppelektrode(n) wird die Steifigkeit der Detektionsmode so lange verringert bis durch die dadurch hervorgerufene Frequenzverschiebung 11 eine Übereinstimmung beider Frequenzen erreicht ist.

In den Figur 4a-c ist der erfindungsgemäße Frequenzabgleich über die mechanischen Nichtlinearitäten dargestellt. In Figur 4a ist das Vorgehen für Federn gezeigt bei denen die Antriebsmode eine mechanische Nichtlinearität mit ß _o >0 aufweist. Bei sehr kleinen Amplituden entspricht dabei die Frequenz der Antriebsmode im Wesentlichen der Basisfrequenz 13, die hier kleiner ist als die gewünschte Zielfrequenz 9. Bei größeren Amplituden wird die Frequenz der Antriebsmode dem dargestellten Verlauf 12 folgend zu höheren Frequenzen hin verschoben. Die Amplitude der Antriebsmode wird in diesem Fall soweit erhöht, bis die Frequenz die gewünschte Zielfrequenz 9 erreicht.

In Figur 4b ist analog das Vorgehen für Federn gezeigt, bei denen die

Antriebsmode ein negatives ß ₀ besitzt. Eine Nichtlinearität mit ß _o <0 erlaubt es zudem die Detektionsmode so zu entwerfen, dass die Resonanzfrequenz 9 kleiner als die Basisfrequenz 13 ausfällt. In beiden Fällen werden für den

Frequenzabgleich vorteilhafterweise keine zusätzlichen Mitkoppelelektroden bzw. weitere Regelkreise im ASIC benötig.

Alternativ kann, wie Figur 4c dargestellt, die mechanische Nichtlinearität dazu genutzt werden, die benötigte Spannung an der Mitkoppelektrode zu erniedrigen, indem die Resonanzfrequenz der Antriebsmode soweit vergrößert wird, dass die für die Frequenzabsenkung 11 erforderliche Spannung deutlich geringer ausfällt, was vorteilhafterweise einen kostengünstigeren ASIC-Prozess erlaubt.