Titel

Mikromechanische Struktur

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Solche mikromechanischen Strukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 198 17 357 A1 ein Beschleunigungssensor bekannt, welcher ein Substrat ein Federelement und eine seismische Masse aufweist. Das Federelement ist mit einem ersten Ende am Substrat und mit einem zweiten Ende an der seismischen Masse verbunden, so dass durch eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors parallel zu einer Oberfläche des Substrats eine

Bewegung der Masse relativ zum Substrat verursachbar ist. Für das Federelement ist ein Federanschlag vorgesehen, der eine Verformung des Federelements bei einer Beschleunigung parallel zur Oberfläche des Substrats begrenzt. Der Federanschlag muss dabei fest mit dem Substrat verbunden sein. Ein ähnlicher Beschleunigungssensor ist aus der Druckschrift DE 100 38 761 A1 bekannt, welcher zur Ausschlagbegrenzung der seismischen Masse ebenfalls Anschläge aufweist, wobei die Anschläge hierbei als Teil des Federelements ausgebildet sind.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäßen mikromechanischen Strukturen gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch das Zusammenwirken des Anschlagselements und des Gegenanschlags- elements eine Auslenkung der seismischen Masse relativ zum Substrat wirksam begrenzt wird, ohne dass für das Anschlagselement eine eigene Substratanbin- dung erforderlich ist und ohne dass die Federeigenschaften des Federelements von dem Anschlagselement beeinflusst werden. Durch die Einsparung der eigenen Substratanbindung und die mögliche Verwendung von Standardfederelementen wird eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich bauraumkompak- tere und kostengünstigere Herstellung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, dass das Anschlagselement als Teil des Verankerungselements ausgebildet ist, während das komplementäre Gegenanschlagselement als Teil der seismischen Masse ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise dient das Verankerungselement gleichzeitig der Befes- tigung der seismischen Masse, als auch der Befestigung des Anschlagselements jeweils am Substrat. Die Federelemente dienen dazu, die Beweglichkeit der seismischen Masse gegenüber dem Substrat und auch gegenüber dem Verankerungselement zu gewährleisten. Die maximale Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Substrat wird durch einen mechanischen Kontakt zwi- sehen dem Anschlagselement und dem Gegenanschlagselement begrenzt.

Durch die Verbindung zwischen der seismischen Masse und dem Verankerungselement in Form des Federelements liegen das Anschlagselement und das Gegenanschlagselement insbesondere auf dem gleichen elektrischen Potential, so dass eine Kraftwirkung und insbesondere eine Haftung zwischen dem An- schlagselement und dem Gegenanschlagselement aufgrund von elektrostatischen Wechselwirkungen sicher ausgeschlossen wird. Die Integration des Anschlagselements in das Verankerungselement hat ferner gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine vergleichsweise bauraumkompakte Integration des Anschlagselements realisiert wird, wodurch insbesondere die Herstellungs- kosten durch die Einsparung von Waferfläche reduziert werden. Ferner wird der

Herstellungsprozess der mikromechanischen Struktur vereinfacht, da das Anschlagselement keine eigene Substratverankerung benötigt. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, dass das Anschlagselement nicht im Bereich des Federelements angeordnet ist bzw. nicht ein Teil des Federelements ist, da in diesem Fall die Federeigenschaften, insbesondere im Hinblick auf gewünschte und ungewünschte Schwingungsmoden, stark verändert und somit neue Federgeometrien erforderlich würden. Bei der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur bleibt das Design des Federelements von dem Anschlagselement unbeeinflusst, so dass die mikromechanische Struktur mit bereits bekannten und bewährten Federgeometrien auszustatten ist. Das Verankerungselement umfasst insbesondere nicht nur einen senkrecht zum Substrat un- mittelbar mit dem Substrat verbundenen Bereich, sondern auch einen Verbindungsbereich zwischen diesem senkrecht zum Substrat unmittelbar mit dem Substrat verbundenen Bereich und dem Federelement, wobei dieser Verbindungsbereich beispielsweise freistehend bzw. unterätzt ausgebildet ist.

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

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Anschlagselement und das Gegenanschlagselement entlang und/oder senkrecht zu einer Sensierrichtung der mikromechanischen Struktur gegenüberliegend angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit eine maximale Auslenkung der mikromechanischen Struktur gegenüber dem Substrat entlang der Sensierrichtung begrenzt. Bei einem Beschleunigungssensor entspricht die Sensierrichtung beispielsweise derjenigen Richtung, entlang welcher eine Beschleunigung gemessen wird. Durch die Begrenzung der maximalen Auslenkung wird insbesondere eine Beschädigung der mikromechanischen Struktur durch zu große Beschleunigungskräfte unterbunden, wobei zu große Beschleunigungskräfte beispielsweise ein Abreißen der Federelemente oder die Ausbildung einer mechanischen oder elektrostatischen Haftung zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden nach einem mechanischen Kontakt zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden, wodurch die seismische Masse nicht mehr in ihre Nulllage zurückkehren kann, bewirken können. Alternativ oder zusätzlich ist eine maximale Auslenkung der seismischen Masse senkrecht zur Sensierrichtung mittels eines

Anschlagselements und eines Gegenanschlagselements realisierbar, welche senkrecht zur Sensierrichtung gegenüberliegend angeordnet sind, wodurch beispielsweise die Wirkungen von mechanischen und/oder elektrostatischen äußeren Kräften auf den Beschleunigungssensor reduziert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Anschlagselement als Ausbuchtung des Verankerungselements und/oder das Gegenanschlagselement als Ausbuchtung der seismischen Masse ausgebildet sind. In vorteilhafter weise werden das Anschlagselement und das Gegenanschlags- element in einer vergleichsweise einfachen und bauraumkompakten Weise realisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen das Anschlagselement und/oder das Gegenanschlagselement eine Antihaftbeschichtung auf, welche ein Aneinanderhaften des Anschlags- und Gegenanschlagselement unterbindet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das An- schlagselement und/oder das Gegenanschlagselement teilweise elastisch und vorzugsweise L-förmig ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise wird dadurch kurz vor dem Erreichen der Maximalauslenkung der seismischen Masse kinetische Energie der seismischen Masse in Verformungsenergie umgewandelt und somit die seismische Masse vor dem Erreichen der Maximalauslenkung abgebremst. Die auf die mikromechanische Struktur einwirkenden mechanischen Kräfte beim

Erreichen der Maximalauslenkung werden folglich reduziert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Verankerungselement in einem Zentralbereich der mikromechanischen Struktur an- geordnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit eine vergleichsweise bauraum- kompakte Ausbildung der mikromechanischen Struktur ermöglicht. Darüberhi- naus wird ein gegenüber einer Symmetrieebene spiegelsymmetrischer Aufbau der mikromechanischen Struktur realisiert, wobei die Symmetrieebene einerseits senkrecht zur Substratebene und andererseits parallel oder senkrecht zur Sen- sierrichtung verläuft und wobei durch einen derartig spiegelsymmetrischen Aufbau die Messgenauigkeit der mikromechanischen Struktur insgesamt erhöht wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mik- romechanische Struktur Festelektroden zum Zusammenwirken mit Gegenelektroden der seismischen Masse aufweist, wobei die Festelektroden und die Gegenelektroden vorzugsweise als senkrecht zur Sensierrichtung ineinandergreifende Kammelektroden ausgebildet sind. Die Sensierrichtung verläuft dabei insbesondere parallel zur Substratebene. Bei einer Beschleunigung des Beschleu- nigungssensors entlang der Sensierrichtung bewegt sich die seismische Masse relativ zum Substrat antiparallel zur Beschleunigung aufgrund von Trägheitskräften. Dies führt zu einer Abstandsänderung zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden parallel zur Sensierrichtung, wodurch eine messbare Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Festelektroden und den Gegenelektro- den hervorgerufen wird, welche als Maß für die Beschleunigung dient. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikromechanische Struktur, insbesondere ein Beschleunigungssensor, mit einem Substrat, einer relativ zum Substrat beweglichen seismischen Masse und wenigstens einem fest mit dem Substrat verbundenen Verankerungselement, wobei die seismische Masse mittels des Verankerungselements am Substrat befestigt ist und wobei zwischen der seismischen Masse und dem Verankerungselement wenigstens ein Federelement angeordnet ist, wobei die mikromechanische Struktur Festelektroden zum Zusammenwirken mit Gegenelektroden der seismischen Masse aufweist, wobei die seismische Masse wenigstens ein weiteres Anschlagselement und wenigstens ein weiteres Gegenanschlagselement aufweist und wobei das weitere Gegenanschlagselement fest mit einer Festelektrode verbunden ist. In vorteilhafter weise ist somit das weitere Gegenanschlagselement fest mit der Festelektrodenstruktur verbunden, welche insbesondere mittels eines weiteren Verankerungselements am Substrat befestigt ist. Durch die Anbindung des weite- ren Gegenanschlagselement an die Festelektrodenstruktur wird für die Befestigung des weiteren Gegenanschlagselements keine weitere Substratanbindung benötigt, so dass eine im Vergleich zum Stand der Technik erheblich einfachere, kostengünstigere und bauraumkompaktere Ausbildung der mikromechanischen Struktur ermöglicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das weitere Anschlagselement und/oder das weitere Gegenanschlagselement bevorzugt elastisch und besonders bevorzugt L-förmig ausgebildet ist, so dass in vorteilhafter Weise ein behutsameres Abbremsen der seismischen Masse vor dem Erreichen der Maximalauslenkung erzielt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das weitere Gegenanschlagselement eine Festelektrode und/oder ein weiteres Verankerungselement umfasst, wobei das weitere Verankerungselement vorzugsweise zur Befestigung der Festelektroden am Substrat vorgesehen ist, so dass das

Gegenanschlagselement in vorteilhafter weise keine eigene Substratanbindung benötigt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich das weitere Anschlagselement im Wesentlichen parallel zur den Festelektroden und den Gegenelektroden erstreckt und entlang der Sensierrichtung insbesondere zwischen wenigstens einer Festelektrode und dem weiteren Verankerungselement angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird das weitere Gegenanschlagselement in diesem Fall automatisch von der Festelektroden und/oder dem weiteren Verankerungselement gebildet, so dass keine weiteren Strukturen für die Realisierung des weiteren Gegenanschlagselement benötigt werden.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen

Figur 1 eine schematische Aufsicht einer mikromechanischen Struktur gemäß dem Stand der Technik, Figuren 2a und 2b eine schematische Aufsicht und eine schematische Detailansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 2c eine schematische Detailansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figuren 3a und 3b eine schematische Aufsicht und eine schematische Detailansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer Dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 3c eine schematische Detailansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 4 eine schematische Aufsicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figuren 5a und 5b eine schematische Aufsicht und eine schematische Detailansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Figuren 6a und 6b eine schematische Aufsicht und eine schematische Detailansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung

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

In Figur 1 ist eine schematische Aufsicht einer mikromechanischen Struktur V in Form eines Beschleunigungssensors gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur 1 ' ein Substrat 2 und eine mit dem Substrat 2 über zwei Verankerungselemente 4 verbundene seismische Masse 3 aufweist.

Zwischen dem jeweiligen Verankerungselement 4 und der seismischen Masse 3 sind Federelemente 5 angeordnet, so dass die seismische Masse 3 entlang einer zur Substratebene 101 parallelen Sensierrichtung 100 gegenüber dem Substrat 2 beweglich ausgebildet ist. Ferner weist die mikromechanische Struktur 1 ' mit dem Substrat 2 fest verbundene Festelektroden 8 auf, welche zum Zusammenwirken mit komplementären Gegenelektroden 9 der seismischen Masse 3 vorgesehen sind. Die Festelektroden 8 sind über ein weiteres Verankerungselement 12 mit dem Substrat 2 verbunden. Die Festelektroden 8 und die Gegenelektroden 9 sind als ineinandergreifende Kammelektroden ausgebildet, wobei sich die Finger der Kammelektroden in Sensierrichtung 100 gegenseitig überlappen und voneinander beabstandet sind. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors entlang der Sensierrichtung 100 bewegt sich die seismische Masse 3 relativ zum Substrat 2 antiparallel zur Beschleunigungsrichtung aufgrund von Trägheitskräften. Dies führt zu einer Abstandsänderung zwischen den Festelektroden 8 und den Gegenelektroden 9 parallel zur Sensierrichtung 100, wodurch eine messbare

Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Festelektroden 8 und den Gegenelektroden 9 hervorgerufen wird, welche als Maß für die Beschleunigung dient. Um die Auslenkung der seismischen Masse 3 gegenüber dem Substrat 2 senkrecht und parallel zur Sensierrichtung 100 zu begrenzen umfasst die mikro- mechanische Struktur 100 zwei Anschlagseinheiten 20, welche jeweils ein zusätzliches Verankerungselement 20' zu Verankerung am Substrat 2 umfasst und welche jeweils in einer Aussparung 21 der seismischen Masse 3 angeordnet ist. Die Auslenkung der seismischen Masse 3 wird durch einen mechanischen Kontakt zwischen der Anschlagseinheit 20 und dem Rand der seismischen Masse 3 im Bereich der Aussparung 21 begrenzt. Die mikromechanische Struktur 1 gemäß dem Stand der Technik benötigt daher zur Bereitstellung der Aussparungen 21 eine vergrößerte seismische Masse 3 und darüberhinaus zwei zusätzliche Verankerungselemente 20'.

In Figur 2a ist eine schematische Aufsicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen der in Figur 1 dargestellten mikromechanischen Struktur gemäß dem Stand der Technik entspricht, wobei darüberhinaus die mikromechanische Struktur 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Anschlagselemente 6 aufweist, welche jeweils als Teil eines der bei- den Verankerungselemente 4 ausgebildet sind. Diese Anschlagselemente 6 sind als Ausbuchtung im jeweiligen Verankerungselement 4 ausgebildet. Jedes der Anschlagselemente 6 wirken dabei mit einem komplementären Gegenanschlagselement 7 der seismischen Masse 3 zusammen, welches dem Anschlagselement 6 entlang der Sensierrichtung 100 gegenüberliegend ausgebildet ist, so dass die Auslenkung der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 2 und parallel zur Sensierrichtung 100 begrenzt wird. Die Gegenanschlagselemente 7 sind daher als komplementäre Ausbuchtungen in der seismischen Masse 3 ausgebildet. In Figur 2b ist eine vergrößerte Teilansicht 102 der in Figur 2a abgebildeten mikromechanischen Struktur 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Figur 2c ist eine schematische Detailansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen der in Figur 2b illustrierten ersten Ausführungsform identisch ist, wobei jedes der beiden Verankerungselemente 4 zwei Anschlagselemente 6 aufweist, welche jeweils mit zwei komplementären Gegenanschlagselementen 7 der seismischen Masse 3 zusammenwirken. Für einen Fachmann ist selbstverständlich, dass die mikromechanische Struktur 1 im Sinne der vorliegenden Erfindung alternativ auch mit jeder anderen beliebigen Mehrzahl von Anschlags- und Gegenanschlagselementen 6, 7 realisierbar ist.

In den Figuren 3a und 3b sind eine schematische Aufsicht und eine schematische Detailansicht 103 einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritte Ausführungsform im Wesentlichen den in Figuren 2a und 2b illustrierten ersten Ausfüh- rungsform identisch ist, wobei die Verankerungselemente 4 neben den sich mit

Gegenanschlagselementen 7 entlang der Sensierrichtung 100 gegenüberliegen- den Anschlagselementen 6 zusätzliche Anschlagselemente 6' aufweisen, welche senkrecht zur Sensierrichtung 100 gegenüber zusätzlichen komplementären Gegenanschlagselementen T der seismischen Masse 3 angeordnet sind, so dass die Auslenkung der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 2 auch senkrecht zur Sensierrichtung 100 begrenzt wird. In Figur 3c ist eine schematische Detailansicht 103 einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen der in Figur 3b illustrierten dritten Ausführungsform identisch ist, wobei lediglich die Anzahl der Anschlags- und Gegenanschlagselemente 6, 7, 6', T unterschiedlich ist.

In Figur 4 ist eine schematische Aufsicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die fünfte Ausführungsform im Wesentlichen einer der ersten, zweiten, dritten oder vierten Ausführungsform identisch ist, wobei die mikromechanische Struktur 1 gemäß der fünften Ausführungsform keine Anschlagseinheiten 20 aufweist, da in diesem Fall die maximale Auslenkung der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 2 parallel und/oder senkrecht zur Sensierrichtung 100 durch die Mehrzahl von zusammenwirkenden Anschlags- und Gegenanschlagselementen 6, 7 6', T begrenzt wird. Durch die Einsparung der Anschlagseinheiten 20 werden ferner auch keine zusätzlichen Verankerungselemente 20' und keine Aussparungen 21 benötigt, so dass die mikromechanische Struktur 1 ohne eine Veränderung der Funktionalität insgesamt deutlich bauraumkompakter ausgebildet ist.

In Figuren 5a und 5b sind eine schematische Aufsicht und eine schematische Detailansicht 104 einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer sechsten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die sechste Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 3c dargestellten vierten Ausführungsform entspricht, wobei die seismische Masse 3 zwei weitere Anschlagselemente 10 aufweist, welche mit zwei weiteren Gegenanschlagselement 1 1 zusammen- wirken. Die Gegenanschlagselemente 1 1 sind als Teil der weiteren Verankerungselemente 12, welche zur Befestigung der Festelektroden 8 an dem Substrat 2 dienen, ausgebildet und umfassen insbesondere eine weitere Ausbuchtung 1 V an den weiteren Verankerungselementen 12. Die weiteren Anschlagselemente 10 umfassen eine elastische L-Form, welche sich jeweils ausgehend von der seismischen Masse 3 senkrecht zur Sensierrichtung 100 und parallel zu den

Fest- und Gegenelektroden 8, 9 erstrecken. Eine Bewegung der seismischen Masse 3 entlang der Sensierrichtung 100 wird vor dem Erreichen der Maximalauslenkung, d.h. insbesondere vor der Ausbildung eines mechanischen Kontakts zwischen parallel zur Sensierrichtung 100 gegenüberliegenden Anschlags- und Gegenanschlagselementen 6, 7, von den weiteren Anschlags- und Gegenan- Schlagselementen 10, 11 abgebremst. Die Verankerungselemente 4 sind insbesondere in einem Zentralbereich der mikromechanischen Struktur 1 angeordnet, wobei auf jeder Seite der Verankerungselemente 4 Kammelektrodenstrukturen und insbesondere jeweils genau ein paar von weiteren Anschlags- und Gegenanschlagselementen 10, 11 angeordnet sind.

In Figuren 6a und 6b sind eine schematische Aufsicht und eine schematische Detailansicht 105 einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die siebte Ausführungsform im Wesentlichen der in Figuren 5a und 5b illustrierten sechsten Aus- führungsform entspricht, wobei auf jeder Seite der Verankerungselemente 4 zwei

Paare von weiteren Anschlags- und Gegenanschlagselemente 10, 1 1 angeordnet sind. Besonders vorteilhaft sind die Anschlags- und Gegenanschlagselemente 10, 1 1 somit gegenüber einer senkrecht zur Substratebene und mittig entlang dem jeweiligen weiteren Verankerungselement 12 verlaufenden Symmetrieebene spiegelsymmetrisch angeordnet, so dass beim Abbremsen der seismischen

Masse 3 vor dem Erreichen der Maximalauslenkung kein Drehmoment von den weiteren Anschlags- und Gegenanschlagselementen 10, 1 1 auf die seismische Masse 3 ausgeübt wird.