Beschreibung Mikromechanisches Bauelement Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, ins- besondere Beschleunigungssensor, mit einem Substrat, minde- stens einer Federeinrichtung und mindestens einer seismischen Masse, wobei die Federeinrichtung mit einem ersten Ende mit dem Substrat und an einem zweiten Ende mit der Masse verbun- den ist, und wobei die Steifigkeit (Federkonstante) der Fe- dereinrichtung so ausgelegt ist, dass durch eine Beschleuni- gung relativ zum Substrat, insbesondere parallel zu einer Oberfläche des Substrats, eine Bewegung der Masse relativ zum Substrat verursachbar ist.

Ein derartiges mikromechanisches Bauelement ist bereits aus der DE 100 12 960 A1 bekannt.

Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Struk- turen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwendbar, wer- den die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf einen in der Technologie der Silizi- um-Oberflächenmikromechanik (OMM) herstellbaren mikromechani- schen Beschleunigungssensor erläutert.

Beschleunigungssensoren, und insbesondere mikromechanische Beschleunigungssensoren in der Technologie der Oberflächen- bzw. Volumenmikromechanik, gewinnen immer größere Marktseg- mente im Kraftfahrzeugausstattungsbereich und ersetzen in zu- nehmendem Maße die bisher üblichen piezoelektrischen Be- schleunigungssensoren.

Die bekannten mikromechanischen Beschleunigungssensoren funk- tionieren üblicherweise derart, dass die federnd gelagerte seismische Masseneinrichtung, welche durch eine externe Be- schleunigung in mindestens eine Richtung auslenkbar ist, bei Auslenkung eine Kapazitätsänderung an einer damit verbundenen

Differentialkondensatoreinrichtung bewirkt, die ein Maß für die Beschleunigung ist. Eine Differentialkondensatoreinrich- tung mit einer. zur Oberfläche des Substrats parallelen Kamm- struktur aus bewegten und festen Elektroden ist in der ge- nannten Offenlegungsschrift beschrieben. Die Auslenkung kann auch anhand einer anderen geeigneten Messmethode nachgewiesen werden.

Die Empfindlichkeit. solcher bekannter mikromechanischer Be- schleunigungssensoren für die Messgröße Beschleunigung kann gegenwärtig im Wesentlichen nur durch die Steifigkeit der Fe- derlagerung der seismischen Masse eingestellt werden, also durch deren vorab zu wählende Federkonstante. Eine hohe Emp- findlichkeit bedeutet dabei jedoch, dass die linearen Rück- stellkräfte der Federn klein sind, so dass das Bauelement aufgrund seiner entsprechend geringen Belastbarkeit nur als Nieder-g-Sensor einsetzbar ist. Für Beschleunigungssensoren, die in einem Bereich mit höherer maximaler Beschleunigung, beispielsweise 50 g (g = Erdbeschleunigung) oder 100 g einge- setzt werden sollen, ist deshalb die Federeinrichtung von vornherein mit einer höheren Steifigkeit- (Federkonstante) auszulegen.

Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Beschleunigung und Auslenkung korrespondiert bei einer derartigen,"harten" Feder eine große Beschleunigung allerdings mit einer kleinen Auslenkung, demnach auch mit einer geringeren Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors. Für die praktische Anwendung be- steht der Wunsch nach Sensoren, die gleichzeitig eine hohe Auflösung im unteren Messbereich und einen großen, das heißt bis zu großen maximalen Beschleunigungen reichenden, Messbe- reich aufweisen ; bisher muss sich der Anwender jedoch entwe- der für eine bestimmte Bereichs-bzw. Empfindlichkeits-Klasse entscheiden oder-als aufwendige Alternative-mehrere Sen- soren verschiedener Bereichsklassen gleichzeitig einsetzen.

Die vorab zu wählenden g-Bereichsklassen bedingen auch den herstellungstechnischen Nachteil, dass für verschiedene g- Bereichsklassen jeweils verschiedene Layouts erforderlich sind. In der oben genannten Offenlegungsschrift wird deshalb ein gattungsgemäßer Beschleunigungssensor vorgeschlagen, bei dem die Federsteifigkeit auch nach Herstellung-beim Vormes- sen oder Endmessen-noch extern einstellbar ist, so dass ein einziges Layout bzw. Design für einen breiten Bereich von Steifigkeiten verwendbar ist. Zu diesem Zweck sind Teile der.

Federeinrichtung entarretierbar bzw. arretierbar ausgeführt, so dass eine gewünschte effektive Federkonstante insbesondere durch Wirkung eines Messstroms oder eines extern steuerbaren Magnetfeldes auf einen Trennbereich einstellbar ist. Einmal vorgenommene Einstellungen sind allenfalls durch eine erneute externe Einstellprozedur änderbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromechani- sches Bauelement der eingangs genannten Art anzugeben, das- ohne externe Beeinflussung zu erfordern-gleichzeitig eine hohe Auflösung im unteren Messbereich und einen großen, das heißt bis zu großen maximalen Beschleunigungen reichenden, Messbereich aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Federeinrichtung für ein intrinsisch nichtlineares Verhalten entsprechend einer progressiven Feder-Kennlinie ausgelegt ist, in der eine größere Beschleunigung mindestens bereichs- weise mit einer größeren Steifigkeit (Federkonstante) ver- lfnüpft ist, so dass das Bauelement mit dieser nichtlinearen Federeinrichtung bei größerer Beschleunigung mindestens be- reichsweise eine geringere Empfindlichkeit aufweist.

Das nichtlineare Bauelement mit seiner degressiven Sensor- Kennlinie (entsprechend der progressiven Kennlinie seiner Fe- dereinrichtung) liefert eine über den Messbereich der Be- schleunigung mindestens bereichsweise oder sogar stetig ab- fallende Empfindlichkeit. Abgesehen von der unterschiedlichen

Empfindlichkeit kann erfindungsgemäß somit die Funktion von zwei verschiedenen g-Bereichsklassen-Sensoren mit einem ein- zigen nichtlinearen Bauelement abgedeckt werden.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildun- gen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen mikrome- chanischen Bauelementes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Federeinrich- tung durch zwei Biegefederelemente gebildet, die so angeord- net sind, dass die Beweglichkeit des ersten Biegefederelemen- tes gegenüber dem Substrat durch einen elastischen Federan- schlag eingeschränkt aber nicht begrenzt ist, wobei der Fe- deranschlag durch das zweite Biegefederelement selbst gebil- det ist. Bei zunehmender Beschleunigung weist die Empfind- lichkeit des Bauelementes dadurch zunächst einen konstanten, der Federkonstante des ersten Biegefederelementes entspre- chenden Wert auf, während die Empfindlichkeit ab Erreichen des Federanschlags-aufgrund der Mitnahme des zweiten Biege- federelementes durch das erste Biegefederelement bei der wei- teren Auslenkung-einen wiederum konstanten, jedoch einer höheren Federkonstante entsprechenden höheren Wert aufweist.

Auf diese einfache Weise lässt sich ein Bauelement realisie- ren, dessen Sensor-Kennlinie aus einem ersten linearen Teil- bereich mit höherer Steigung (Empfindlichkeit) und, "mit Kniclc"daran anschließend, einem zweiten linearen Teilbereich mit niedrigerer Steigung (Empfindlichkeit) zusammengesetzt ist. Die intrinsische Nichtlinearität ist in diesem Fall also durch das selbstgesteuerte additive Zusammenwirken zweier Fe- derelemente implementierbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung lässt sich ein (nahezu) stetig nichtlineares Verhalten dadurch realisieren, dass die Federeinrichtung durch ein längliches, quer zur Richtung der Beschleunigung angeordnetes und vom ersten zum zweiten Ende pyramidal zulaufendes Biegefederelement gebildet ist, dessen Federkonstante mit der Biegung stetig zunimmt, so

dass diese intrinsische Nichtlinearität einen annähernd log- arithmischen Verlauf der Bauelement-Kennlinie bewirkt. Das Federelement bringt in diesem Fall nichtlineares Verhalten also aufgrund des verwendeten Materials und der geometrischen Gestaltung selbst schon mit sich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 in einem schematischen Diagramm die Bauelement- Kennlinie mit der Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Beschleunigung für ein Bauelement der Ausführungsform gemäß Figur 2 und Figur 3, Figur 2 und Figur 3 eine partielle Aufsicht auf zwei ver- schiedene Funktionszustände eines Beschleunigungssensors ge- mäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 4, in gleicher Ansicht wie Figur 2 und 3, einen Be- schleunigungssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Figur l zeigt den nichtlinearen Verlauf der Sensor-Kennlinie 1 und 2, wie sie beispielsweise durch die Biegefederelemente gemäß Figur 2 und Figur 3 realisierbar ist. In diesem einfa- chen Fall einer nichtlinearen Kennlinie ist diese aus einem ersten konstanten Teilbereich 1 mit höherer Steigung und ei-. nem zweiten Teilbereich 2 mit einem ebenfalls konstanten, je- doch weniger steilen Verlauf stetig, mit einem"Knick", zusammengesetzt, so dass die Sensor-Kennlinie insgesamt einen degressiven Verlauf hat.

Der Zusammenhang der in Figur 1 dargestellten Sensor- Kennlinie 1 und 2 mit der nicht dargestellten Feder-Kennlinie besteht darin, dass gemäß dem Hookschen Gesetz die lineare Rückstellkraft der Federeinrichtung der Auslenkung direkt

proportional ist, so dass das gemäß der Auslenkung der Masse gemessene, in Figur 1 dargestellte, Sensor-Ausgangssignal U vom Kehrwert der Federkonstante abhängt. Die größere Steigung der Kennlinie l'im unteren Messbereich, d. h. bei kleinen Be- schleunigungswerten g, entspricht demnach einer hohen Emp- findlichkeit des mikromechanischen Bauelementes und korre- spondiert mit einer"weichen"Feder, also einer Feder mit ge- ringer Steifigkeit bzw. Federkonstante. Umgekehrt entspricht die geringere, aber über diesen Teilbereich wiederum konstan- te, Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors im zweiten Teilbereich 2 der Sensor-Kennlinie, d. h. bei großen Be- schleunigungswerten g, einer"harten"Feder, also einer Feder mit größerer Steifigkeit bzw. Federkonstante.

Figur 2 zeigt, dass die Biegefederelemente 3 und 4 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung jeweils eine längliche Form aufweisen und mit ihren ersten Enden jeweils am Bauele- ment-Substrat 5 verankert sind. Die Richtung der angreifenden Beschleunigung g (parallel zur Oberfläche des Substrats 5) ist in den Figuren 2 und 3 jeweils durch einen Pfeil angedeu- tet. Die Biegefederelemente 3 und 4 sind, parallel zueinan- der, quer (insbesondere senkrecht) zur Richtung der Beschleu- nigung g angeordnet, wobei das zweite, mit der Masse verbun- dene Ende 6 des ersten Biegefederelementes 3 das zweite, über das anschlagende erste Biegefederelement 3 mittelbar mit der (nicht dargestellten) Masse verbindbare, Ende 7 des zweiten Biegefederelementes 4 überragt.

Wenn, wie im Funktionszustand gemäß Figur 3 angedeutet, eine Beschleunigung der Masse eine Biegung des ersten Biegefe- derelementes 3 bis hin zum zweiten Biegefederelement 4 verur- sacht, so erfolgt ein Anschlag 8 der dem zweiten Biegefe- derelement 4 zugewandten Oberfläche des. ersten Biegefederele- mentes 3 am zweiten Ende 7 des zweiten Biegefederelementes 4.

Bei weiterer Beschleunigung und Deformierung des ersten Bie- gefederelementes 3 nimmt dieses das zweite Biegefederelement 4 bei der weiteren Biegung'mit, wobei die zusätzliche Feder-

konstante des zweiten Biegefederelementes 4 ins Spiel kommt.

Insbesondere durch Wahl der Länge (und damit der Steifigkei- ten) der Biegefederelemente 3 und 4, der Länge des"Über- stands"des ersten über das zweite Biegefederelement, sowie ihres Abstandes zueinander, lassen sich Wünsche hinsichtlich der Art des nichtlinearen Biegeverhaltens in einem relativ weiten Bereich realisieren.

Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wo- nach die Federeinrichtung durch ein längliches, quer zur Richtung der Beschleunigung g angeordnetes und vom ersten zum zweiten Ende 9 pyramidal zulaufendes Biegefederelement 10 ge- bildet ist, bei dem aufgrund der Formgebung zu erwarten ist, dass dessen Federkonstante mit der Biegung stetig zunimmt, so dass diese intrinsische Nichtlinearität einen annähernd log- arithmischen Verlauf der Bauelement-Kennlinie bewirkt.

Die grundlegende bekannte Prozesssequenz der Technologie der Oberflächenmikromechanik um Beschleunigungssensoren herzu- stellen beruht darauf, insbesondere die seismische Masse und die Federeinrichtung typischerweise in Epitaxie-Polysilizium über einer Opferschicht aus Oxid durch Ätzen zu strukturie- ren. Durch selektives, isotropes Ätzen der Opferschicht mit einem geeigneten Verfahren werden anschließend die freien, beweglichen Bauelementkomponenten gelöst. Die Federeinrich- tungen für das erfindungsgemäße Bauelement können ohne weite- res in diesem bestehenden Rahmen hergestellt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzug- ter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizier- bar. Beispielsweise kann sie bei einem Beschleunigungssensor, bei dem, wie in der Offenlegungsschrift DE 199 59 707 A 1 be- schrieben, die Schwungmasse um eine senkrecht zur Substrat- berfläche liegende Drehachse und um mindestens eine parallel zur Substratoberfläche liegende Drehachse elastisch aus ihrer Ruhelage auslenkbar ist, eingesetzt werden. Ebenso ist ein Einsatz bei einem Beschleunigungssensor denkbar, bei dem zwei verschiedene Massen wippenartig senkrecht zur Substratober- fläche auslenkbar sind, wobei die Aufhängung durch eine Tor- sionsfeder gegeben ist.