Mikromechanisches Bauelement

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 .

Mikromechanische Bauelemente mit einem Substrat und mit an dem Substrat über Aufhängungen fixierte Elektroden sind allgemein bekannt.

Beispielsweise offenbaren JP 2012-185040 A, US 201 1/0226060 A1 , US 2016/0047838 A1 und US 2012/0262026 A1 derartige mikromechanische Bauelemente.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik mechanisch robustes, einfaches und kostengünstiges mikromechanisches Bauelement bereitzustellen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die erste Aufhängung und die zweite Aufhängung derart ausgebildet sind, dass eine erste Projektion der ersten Aufhängung auf eine senkrecht zu der Haupterstreckungsebene und parallel zu der ersten Längsachse der ersten Elektrode erstreckende Projektionsfläche und eine zweite Projektion der zweiten Aufhängung auf die Projektionsfläche dis- junkt sind. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode nicht vollflächig an dem Substrat angebunden sind und gleichzeitig die erste Elektrode und die zweite Elektrode an voneinander im Wesentlichen elektrisch isolierte Leiterbahnen auf einfache Weise angebunden werden kön- nen. Insbesondere dadurch, dass die erste Projektion und die zweite Projektion auf die Projektionsfläche disjunkt sind, können Leiterbahnen im Wesentlichen senkrecht zu der Projektionsfläche auf einfache Weise in dem mikromechanischen Bauelement realisiert werden. Somit kann auf in dem Stand der Technik zusätzliche Isolationsschichten bzw. aufwändige Anordnungen der Leiterbah- nen verzichtet werden.

Außerdem wird durch eine nicht vollflächige Anbindung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an das Substrat die Stressempfindlichkeit des mikromechanischen Bauelements dadurch reduziert, dass eine beispielsweise auf- grund von thermischen und mechanischen Lasten durch Dehnung hervorgerufene Verformung des Substrats im Vergleich zum Stand der Technik die erste Elektrode und die zweite Elektrode weniger stark verformt bzw. aus einer vorgesehenen Idealposition bringt und somit die Bewegungserfassung durch die Elektroden besonders genau durchführbar ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein mikromechanisches Bauelement bereitgestellt, wobei aufgrund von thermischen und mechanischen Lasten durch Dehnung entstandene Verformung des Substrats des mikromechanischen Bauelements weniger kritisch ist. Erfindungsgemäß wird somit eine aus dem Stand der Technik bekannte durch die Dehnung verursachte sich ändernde Schiefstellung der Festelektroden vermieden bzw. dieser Effekt reduziert. Somit wird ein sich änderndes parasitäres Signal in der Antriebsbewegung reduziert bzw. vermieden und die Stressempfindlichkeit des mikromechanischen Bauelements wird für die Abgleichparameter weniger sichtbar.

Somit wird ein gegenüber dem Stand der Technik mechanisch robustes, einfaches und kostengünstiges mikromechanisches Bauelement bereitgestellt. Bevorzugt umfasst das mikromechanische Bauelement einen Drehratensensor. Bevorzugt sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode Detektionselektro- den des mikromechanischen Bauelements. Hierdurch wird mithilfe einer Zentralaufhängung der Detektionselektroden der Stressempfindlichkeit von Drehra- tensensoren im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Somit wird eine Reduktion der Stressempfindlichkeit von Drehratensensoren im Offset und Quadratur ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Un- teransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Aufhängung entlang der ersten Längsachse mindestens das Einfache, bevorzugt min- destens das Zweifache, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache, ganz besonders bevorzugt mindestens das Vierfache, einer Ausdehnung der ersten Aufhängung entlang der ersten Längsachse von der ersten Stirnfläche beabstandet angeordnet ist. Hierdurch wird eine besonders kompakte und einfache Aufhängung der ersten Elektrode und somit ein besonders stressunempfindli- ches mikromechanisches Bauelement ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Aufhängung entlang der ersten Längsachse mindestens das Einfache, bevorzugt mindestens das Zweifache, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache, ganz besonders bevorzugt mindestens das Vierfache, einer Ausdehnung der ersten Aufhängung entlang der ersten Längsachse von der zweiten Stirnfläche beabstandet angeordnet ist. Hierdurch wird eine besonders kompakte und einfache Aufhängung der ersten Elektrode und somit ein besonders stressunempfindliches mikromechanisches Bauelement ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Aufhängung entlang der zweiten Längsachse mindestens das Einfache, bevorzugt mindestens das Zweifache, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache, ganz besonders bevorzugt mindestens das Vierfache, einer Ausdehnung der zweiten Aufhängung entlang der zweiten Längsachse von der dritten Stirnfläche beabstandet angeordnet ist. Hierdurch wird eine besonders kompakte und einfache Aufhängung der zweiten Elektrode und somit ein besonders stressun- empfindliches mikromechanisches Bauelement ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Aufhängung entlang der zweiten Längsachse mindestens das Einfache, bevorzugt mindestens das Zweifache, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache, ganz besonders bevorzugt mindestens das Vierfache, einer Ausdehnung der zweiten Aufhängung entlang der zweiten Längsachse von der vierten Stirnfläche beabstandet angeordnet ist. Hierdurch wird eine besonders kompakte und einfache Aufhängung der zweiten Elektrode und somit ein besonders stressunempfindliches mikromechanisches Bauelement ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass lediglich ein Teil einer Projektion der ersten Aufhängung auf die Haupterstreckungsebene eine Teilmenge einer Projektion der ersten Elektrode auf die Haupterstreckungsebene umfasst. Somit wird eine gezielte Ausbildung der ersten Aufhängung er- möglicht. Hierdurch wird eine besonders mechanisch robuste und gleichzeitig kompakte und einfache Aufhängung der ersten Elektrode und somit ein besonders stressunempfindliches und mechanisch robustes mikromechanisches Bauelement ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass lediglich ein Teil einer Projektion der zweiten Aufhängung auf die Haupterstreckungsebene eine Teilmenge einer Projektion der zweiten Elektrode auf die Haupterstreckungsebene umfasst. Hierdurch wird eine besonders mechanisch robuste und gleichzeitig kompakte und einfache Aufhängung der zweiten Elektrode und somit ein besonders stressunempfindliches und mechanisch robustes mikromechanisches Bauelement ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement eine gegenüber dem Substrat bewegliche Detektionsmasse umfasst, wobei die Detektionsmasse die erste Elektrode und die zweite Elektrode zumindest teilweise im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungs- ebene umschließt. Hierdurch wird ein besonders platzsparendes mikromechanisches Bauelement bereitgestellt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement eine gegenüber dem Substrat bewegliche dritte Elektrode umfasst, wobei die Detektionsmasse und die dritte Elektrode miteinander bewegungsstarr verbunden sind. Hierdurch wird vorteilhaft eine auf die Detektionsmasse wirkende Kraftwirkung mithilfe von Wechselwirkungen zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode und zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement eine dritte Aufhängung zum weiteren Fixieren der ersten

Elektrode an dem Substrat und eine vierte Aufhängung zum weiteren Fixieren der zweiten Elektrode an dem Substrat umfasst. Hierdurch wird eine besonders mechanisch robuste und gleichzeitig kompakte und einfache Aufhängung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und somit ein besonders stressunempfindliches und mechanisch robustes mikromechanisches Bauelement ermöglicht. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass die erste Aufhängung und die zweite Aufhängung derart ausgebildet sind, dass sich eine erste Projektion der ersten Aufhängung auf eine senkrecht zu der Haupterstreckungsebene und parallel zu der ersten Längsachse der ersten Elektrode erstreckende Projektionsfläche und eine zweite Projektion der zweiten Aufhängung auf die Projektionsfläche zumindest teilweise überlappen. Mit anderen Worten werden die erste Elektrode und die zweite Elektrode bzw. die Festelektroden des mikromechanischen Bauelements mittig auf einer Linie aufgehangen. Hierdurch wird eine besonders zentrale Aufhängung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ermöglicht und somit der Einfluss von Substratverzerrungen auf die Funktion der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode minimiert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1, Figur 2 und Figur 3 zeigen in schematischen Darstellungen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugs- zeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

In Figur 1 , Figur 2 und Figur 3 sind in schematischen Darstellungen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Hierbei zeigt Figur 1 ein mikromechanisches Bauelemente 1 mit einem sich entlang einer Haupterstreckungsebene 100 des mikromechanischen Bauelements 1 erstreckenden Substrat 3, wobei das mikromechanische Bauelement 1 eine an dem Substrat 3 über eine erste Aufhängung 5 fixierte erste Elektrode 7 und eine an dem Substrat 3 über eine zweite Aufhängung 9 fixierte zweite

Elektrode 1 1 umfasst. Erfindungsgemäß ist die erste Aufhängung 5 entlang einer ersten Längsachse 101 der ersten Elektrode 7 von einer ersten Stirnfläche 71 und einer zweiten Stirnfläche 72 der ersten Elektrode 7 beabstandet angeordnet. Außerdem ist erfindungsgemäß die zweite Aufhängung 9 entlang einer zweiten Längsachse 102 der zweiten Elektrode 1 1 von einer dritten Stirnfläche

1 1 1 und einer vierten Stirnfläche 1 12 der zweiten Elektrode 1 1 beabstandet angeordnet. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Aufhängung 5 und die zweite Aufhängung 9 derart ausgebildet sind, dass eine erste Projektion der ersten Aufhängung 5 auf eine senkrecht zu der Haupter- streckungsebene 100 und parallel zu der ersten Längsachse 101 der ersten Elektrode 7 erstreckende Projektionsfläche und eine zweite Projektion der zweiten Aufhängung 9 auf die Projektionsfläche disjunkt sind. Mit anderen Worten werden die erste Aufhängung 5 und die zweite Aufhängung 9 bzw. die Elektrodenaufhängungen leicht versetzt oben und unter einer Linie aufgehangen. Somit wird auf besonders einfache Weise ein Konzept mit Differentialauswertung ermöglicht. In Figur 1 ist beispielhaft dargestellt, dass die erste Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 mindestens das Vierfache einer Ausdehnung der ersten Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 von der ersten Stirnfläche 71 beabstandet angeordnet ist. Alternativ ist beispielsweise auch vorgesehen, dass die erste Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 mindestens das Einfache, bevorzugt mindestens das Zweifache, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache, einer Ausdehnung der ersten Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 von der ersten Stirnfläche 71 beabstandet angeordnet ist. Des Weiteren ist in Figur 1 beispielhaft dargestellt, dass die erste Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 mindestens das Fünffache einer Ausdehnung der ersten Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 von der zweiten Stirnfläche 72 beabstandet angeordnet ist. Alternativ ist jedoch beispielsweise auch vorgesehen, dass die erste Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 mindestens das Einfache, bevorzugt mindestens das Zweifache, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache, ganz besonders bevorzugt mindestens das Vierfache, einer Ausdehnung der ersten Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 von der zweiten Stirnfläche 72 beabstandet angeordnet ist.

Außerdem ist in dem in Figur 1 beispielhaft dargestellten mikromechanischen Bauelement 1 die zweite Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 mindestens das Fünffache einer Ausdehnung der zweiten Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 von der dritten Stirnfläche 1 1 1 beabstandet angeordnet. Beispielsweise ist alternativ auch vorgesehen, dass die zweite Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 mindestens das Einfache, be- vorzugt mindestens das Zweifache, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache, ganz besonders bevorzugt mindestens das Vierfache, einer Ausdehnung der zweiten Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 von der dritten Stirnfläche 1 1 1 beabstandet angeordnet ist. Ferner ist in Figur 1 dargestellt, dass die zweite Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 mindestens das Vierfache einer Ausdehnung der zweiten Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 von der vierten Stirnfläche 1 12 beabstandet angeordnet ist. Alternativ ist beispielsweise auch vorgesehen, dass die zweite Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 mindestens das Einfache, bevorzugt mindestens das Zweifache, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache, einer Ausdehnung der zweiten Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 von der vierten Stirnfläche 1 12 beabstandet angeordnet ist. Durch die einfache, zentrale Aufhängung der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 9 bzw. der Detektionselektroden ist es vorteilhaft möglich, dass die Auswirkung der Substratverzerrung auf die Bewegungserfassung der Elektroden reduziert wird. Des Weiteren ist in Figur 1 und Figur 2 beispielhaft dargestellt, dass lediglich ein Teil einer Projektion der ersten Aufhängung 5 auf die Haupterstreckungs- ebene 100 eine Teilmenge einer Projektion der ersten Elektrode 7 auf die Haupterstreckungsebene 100 umfasst. Außerdem zeigen Figur 1 und Figur 2, dass lediglich ein Teil einer Projektion der zweiten Aufhängung 9 auf die Haupt- erstreckungsebene 100 eine Teilmenge einer Projektion der zweiten Elektrode

1 1 auf die Haupterstreckungsebene 100 umfasst. Figur 2 zeigt beispielhaft, dass das mikromechanische Bauelement 1 eine dritte Aufhängung 17 zum weiteren Fixieren der ersten Elektrode 7 an dem Substrat 3 und eine vierte Aufhängung 19 zum weiteren Fixieren der zweiten Elektrode 1 1 an dem Substrat 3 umfasst. Hierbei sind die dritte Aufhängung 17 und die vierte Aufhängung 19 im Wesentlichen so wie die erste Aufhängung 5 und die zweite Aufhängung 9 ausgebildet und angeordnet.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 weniger als das Einfache der Ausdeh- nung der ersten Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 von der ersten Stirnfläche 71 beabstandet angeordnet. Außerdem ist die erste Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 mindestens das Neunfache der Ausdehnung der ersten Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 von der zweiten Stirnfläche 72 beabstandet angeordnet ist.

Außerdem ist die dritte Aufhängung 17 entlang der ersten Längsachse 101 mindestens das Achtfache einer Ausdehnung der dritten Aufhängung 5 entlang der ersten Längsachse 101 von der ersten Stirnfläche 71 beabstandet angeordnet. Ferner ist die dritte Aufhängung 17 entlang der ersten Längsachse 101 mindes- tens das Einfache, und bevorzugt weniger als das Zweifache, der Ausdehnung der dritten Aufhängung 17 entlang der ersten Längsachse 101 von der zweiten Stirnfläche 72 beabstandet angeordnet.

Des Weiteren ist in Figur 2 beispielhaft dargestellt, dass die zweite Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 mindestens das Einfache, und bevorzugt weniger als das Zweifache, einer Ausdehnung der zweiten Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 von der dritten Stirnfläche 1 1 1 beabstandet angeordnet ist. Außerdem ist die zweite Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 mindestens das Achtfache einer Ausdehnung der zweiten Aufhängung 9 entlang der zweiten Längsachse 102 von der vierten

Stirnfläche 1 12 beabstandet angeordnet. Ferner ist die vierte Aufhängung 19 entlang der zweiten Längsachse 102 mindestens das Neunfache einer Ausdehnung der vierten Aufhängung 19 entlang der zweiten Längsachse 102 von der dritten Stirnfläche 1 1 1 beabstandet angeordnet. Außerdem ist die vierte Aufhängung 19 entlang der zweiten Längsachse 102 weniger als das Einfache einer Ausdehnung der vierten Aufhängung 19 entlang der zweiten Längsachse 102 von der vierten Stirnfläche 1 12 beabstandet angeordnet.

Somit wird durch eine gezielte Anordnung und Ausbildung der ersten Aufhän- gung 5, der zweiten Aufhängung 9, der dritten Aufhängung 17 und der vierten Aufhängung 19 eine kapazitive Erfassung von Detektionsbewegung in Drehratensensoren durch mehrfach aufgehangene Elektroden ermöglicht und gleichzeitig die erste Elektrode und die zweite Elektrode an voneinander im Wesentlichen elektrisch isolierte Leiterbahnen auf einfache Weise angebunden werden. Hierdurch kann das mikromechanische Bauelement 1 gezielt eingestellt werden, indem zwischen erhöhter Stressempfindlichkeit und erhöhter mechanischer Stabilität der ersten und zweiten Elektrode durch mehrfache Aufhängung abgewogen wird. In Figur 3 ist beispielhaft dargestellt, dass das mikromechanische Bauelement 1 eine gegenüber dem Substrat 3 bewegliche Detektionsmasse 13 umfasst. Hierbei umschließt die Detektionsmasse 13 die erste Elektrode 7 und die zweite Elektrode 1 1 zumindest teilweise im Wesentlichen parallel zu der Haupterstre- ckungsebene 100.

Des Weiteren zeigen In Figur 1 , Figur 2 und Figur 3, dass das mikromechanische Bauelement 1 eine gegenüber dem Substrat 3 bewegliche dritte Elektrode 15 umfasst, wobei die Detektionsmasse 13 und die dritte Elektrode 15 miteinander bewegungsstarr verbunden sind.

Das in Figur 3 beispielhaft dargestellte mikromechanische Bauelement 1 umfasst eine Vielzahl von ersten Aufhängungen 5, fixierte erste Elektroden 7, zweite Aufhängungen 9, fixierte zweite Elektroden 1 1 und dritte Elektroden 15. Außerdem umfasst das in Figur 3 beispielhaft dargestellte mikromechanische Bauelement 1 eine erste Feder 21 und eine zweite Feder 23, wobei die erste Feder 21 und die zweite Feder 23 derart ausgebildet und an dem Substrat 3 und an der Detektionsmasse 13 verankert bzw. aufgehangen sind, dass die De- tektionsmasse 13 und die dritte Elektrode 15 im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zu der ersten Längsachse 101 auslenkbar ist. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, dass eine auf die Detektionsmasse 13 wirkende Kraftwirkung aufgrund von Abstandsänderungen zwischen der ersten Elektrode 7 und der dritten Elektrode 15 bzw. zwischen der zweiten Elektrode 1 1 und der dritten Elektrode 15 messbar ist. Alternativ ist beispielsweise auch vorgesehen, dass die erste Feder 21 und die zweite Feder 23 derart ausgebildet und an dem Substrat 3 und an der Detektionsmasse 13 verankert bzw. aufgehangen sind, dass die Detektionsmasse 13 und die dritte Elektrode 15 im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 und parallel zu der ersten Längsachse 101 auslenkbar ist. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, dass eine auf die Detektionsmasse 13 wirkende Kraftwirkung aufgrund von Änderungen einer Überlappung von Projektionen der ersten Elektrode 7 und der dritten Elektrode 15 bzw. der zweiten Elektrode 1 1 und der dritten Elektrode 15 im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungs- ebene und senkrecht zu der ersten Längsachse 101 messbar ist.