DE102020210119A1 - Drive structure, micromechanical system, method for producing a micromechanical system, method for operating a micromechanical system - Google Patents

Drive structure, micromechanical system, method for producing a micromechanical system, method for operating a micromechanical system Download PDF

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Jochen Reinmuth
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • H02N1/008—Laterally driven motors, e.g. of the comb-drive type

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Abstract

Es wird eine Antriebsstruktur für ein mikromechanisches System beansprucht, wobei die Antriebsstruktur eine Gruppe von Antriebsfingern und eine Gruppe von Gegenfingern umfasst, wobei die Gruppe von Antriebsfingern relativ zu der Gruppe von Gegenfingern parallel zu einer Antriebsachse beweglich ist, wobei die Gruppe von Gegenfingern zumindest teilweise in einer Schicht ausgebildet ist, wobei die Gruppe von Gegenfingern mindestens einen ersten Gegenfinger und einen zweiten Gegenfinger umfasst, wobei ein erster Antriebsfinger der Gruppe von Antriebsfingern in eine senkrechte Richtung, senkrecht zur Antriebsachse, innerhalb der Schicht zumindest teilweise zwischen dem ersten Gegenfinger und dem zweiten Gegenfinger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger innerhalb der Schicht derart eine erste Öffnung ausgebildet ist, dass der erste und zweite Gegenfinger innerhalb der Schicht zueinander verbindungslos ausgebildet sind.A drive structure for a micromechanical system is claimed, the drive structure comprising a group of drive fingers and a group of counter-fingers, the group of drive fingers being movable relative to the group of counter-fingers parallel to a drive axis, the group of counter-fingers being at least partially in a layer, wherein the group of counter-fingers comprises at least a first counter-finger and a second counter-finger, wherein a first drive finger of the group of drive fingers extends in a perpendicular direction, perpendicular to the drive axis, within the layer at least partially between the first counter-finger and the second counter-finger is arranged, characterized in that between the first and second counter-finger within the layer such a first opening is formed that the first and second counter-finger within the layer are formed without connection to each other.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Antriebsstruktur für ein mikromechanisches System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a drive structure for a micromechanical system according to the preamble of claim 1.

Mikromechanische Systeme mit Antriebsstrukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise werden derartige mikroelektromechanische Systeme (MEMS) als Sensoren oder Aktuatoren für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet. In der DE 19537814 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren, wie beispielsweise von Beschleunigungs- und Drehratensensoren, beschrieben. Mit diesem und ähnlichen Verfahren werden bewegliche Siliziumstrukturen erzeugt, deren Bewegungen über eine Bestimmung von Kapazitätsänderungen gemessen werden.Micromechanical systems with drive structures are generally known. For example, such microelectromechanical systems (MEMS) are used as sensors or actuators for a variety of applications. In the DE19537814A1 a method for the production of micromechanical sensors, such as acceleration and yaw rate sensors, is described. This and similar methods are used to create movable silicon structures whose movements are measured by determining changes in capacitance.

Die Dämpfung von Schwingungen beweglicher Massen ist dabei für eine Vielzahl von MEMS ein entscheidender Aspekt. Insbesondere die Güte der Antriebsbewegung der Antriebsstruktur kann einen entscheidenden Einfluss auf die Signalstärke, Genauigkeit und die Einsatzmöglichkeiten eines MEMS haben.The damping of vibrations of moving masses is a crucial aspect for a large number of MEMS. In particular, the quality of the drive movement of the drive structure can have a decisive influence on the signal strength, accuracy and possible uses of a MEMS.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsstruktur für ein mikromechanisches System bereitzustellen, die eine geringe Dämpfung hat, vergleichsweise hohe Kräfte erzeugen kann und insbesondere platzsparend ausgeführt werden kann. Es ist ferner eine Aufgabe ein entsprechendes mikromechanisches System, umfassend eine Antriebsstruktur, bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide a drive structure for a micromechanical system that has low damping, can generate comparatively high forces and, in particular, can be designed to save space. It is also an object to provide a corresponding micromechanical system, including a drive structure.

Die erfindungsgemäße Antriebsstruktur gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine Antriebsstruktur mit geringer Dämpfung erzielt werden kann, die platzsparend ausführbar ist. Durch die erste Öffnung zwischen dem ersten Gegenfinger und dem zweiten Gegenfinger kann ein Gasvolumen bei einer Relativbewegung der Antriebsfinger und der Gegenfinger (bei einer Antriebsbewegung/- schwingung) vorteilhaft innerhalb der Schichtebene entweichen bzw. verdrängt werden und in den Umgebungsbereich ein- und ausfließen. Das Gas muss daher insbesondere nicht vertikal aus dem Zwischenraum der Gegenfinger verdrängt werden. Somit kann erfindungsgemäß eine Squeeze-Film-Dämpfung an der Antriebsstruktur besonders vorteilhaft verringert bzw. vermieden werden, insbesondere gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsstruktur, bei der die Gegenfinger als Kammstruktur ausgebildet sind und dementsprechend eine Kammbasis in der Schicht bzw. Schichtebene aufweisen.The drive structure according to the invention according to the main claim has the advantage over the prior art that a drive structure with low damping can be achieved, which can be implemented in a space-saving manner. Through the first opening between the first counter-finger and the second counter-finger, a gas volume can advantageously escape or be displaced within the plane of the layer during a relative movement of the drive fingers and the counter-finger (during a drive movement/vibration) and can flow into and out of the surrounding area. In particular, the gas therefore does not have to be displaced vertically from the space between the counter fingers. According to the invention, squeeze film damping on the drive structure can thus be particularly advantageously reduced or avoided, in particular compared to a drive structure known from the prior art in which the counter fingers are designed as a comb structure and accordingly have a comb base in the layer or layer plane .

Durch die Vermeidung der Squeeze-Film-Dämpfung ist es erfindungsgemäß insbesondere in vorteilhafter Weise möglich, dass die Antriebstrukturen allenfalls noch durch die viel geringeren Effekte der Slide-Film-Dämpfung abgebremst werden.By avoiding the squeeze film damping, it is possible according to the invention, particularly advantageously, for the drive structures to be decelerated at most by the much smaller effects of the slide film damping.

Es ist denkbar, dass die Schicht mehrere Unterschichten umfassen kann, die gemeinsam als die Schicht verstanden werden können, oder dass die Schicht aus einer einzigen Schicht besteht. Erfindungsgemäß ist es vorteilhafterweise möglich, dass der erste und zweite Gegenfinger innerhalb der Schicht voneinander getrennt sind und ohne eine Verbindung innerhalb der Schicht ausgebildet sind.It is conceivable that the layer may comprise several sub-layers, which together can be understood as the layer, or that the layer consists of a single layer. According to the invention, it is advantageously possible for the first and second counter-fingers to be separated from one another within the layer and to be formed without a connection within the layer.

Es ist denkbar, dass die Gruppe von Gegenfingern vollständig in der Schicht ausgebildet ist und dass die Gegenfinger der Gruppe von Gegenfingern untereinander über die gesamte Dicke der Schicht verbindungslos ausgebildet sind. Die verbindungslose Öffnung zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger erstreckt sich entsprechend über die gesamte Dicke der Gegenfinger.
Es ist alternativ denkbar, dass sich die Schicht nicht über die gesamte Höhe/Dicke der Gruppe von Gegenfingern (orthogonal zur Haupterstreckungsebene des Substrats) erstreckt, sodass die Gegenfinger beispielsweise teilweise in der Schicht und teilweise einer weiteren Schicht (oder mehrerer weiterer Schichten) ausgebildet sind. Die weitere Schicht kann über und/oder unter der Schicht ausgebildet sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die senkrechte Richtung und die Antriebsachse parallel zur einer Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufen. Die Dicke bzw. Höhe der Schicht, in der Gruppe von Gegenfingern und die Gruppe von Antriebsfingern ausgebildet sind, bezieht sich auf eine Ausdehnung der Schicht in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats.It is conceivable that the group of counter-fingers is formed entirely in the layer and that the counter-fingers of the group of counter-fingers are formed without connection to one another over the entire thickness of the layer. The connectionless opening between the first and second counter-fingers correspondingly extends over the entire thickness of the counter-fingers.
Alternatively, it is conceivable that the layer does not extend over the entire height/thickness of the group of counter-fingers (orthogonal to the main plane of extension of the substrate), so that the counter-fingers are formed, for example, partially in the layer and partially in a further layer (or several further layers). . The further layer can be formed above and/or below the layer. According to the present invention, it is conceivable that the vertical direction and the drive axis run parallel to a main plane of extension of the substrate. The thickness or height of the layer in which the group of counter-fingers and the group of drive fingers are formed relates to an extension of the layer in a direction perpendicular to the main plane of extension of the substrate.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous configurations and developments of the invention can be found in the subclaims and the description with reference to the drawings.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Bewegung des ersten Antriebsfingers ein Gasvolumen, welches zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger angeordnet ist, zumindest teilweise durch die erste Öffnung zwischen dem ersten Gegenfinger und dem zweiten Gegenfinger innerhalb der Schicht verdrängbar ist, ist es besonders vorteilhaft möglich, die Squeeze-Film-Dämpfung der Antriebsstruktur zu verringern.Due to the fact that, according to one embodiment of the present invention, when the first drive finger moves, a gas volume, which is arranged between the first and second counter-fingers, can be displaced at least partially through the first opening between the first counter-finger and the second counter-finger within the layer, it is particularly advantageously possible to reduce the squeeze film damping of the drive structure.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Gruppe von Gegenfingern einen dritten Gegenfinger umfasst, wobei zwischen dem zweiten und dritten Gegenfinger eine zweite Öffnung innerhalb der Schicht derart ausgebildet ist, dass der zweite und dritte Gegenfinger innerhalb der Schicht zueinander verbindungslos ausgebildet sind. Der erste zweite und dritte Gegenfinger sind insbesondere jeweils benachbarte Gegenfinger. Der zweite Gegenfinger ist somit zwischen dem ersten und dritten Gegenfinger angeordnet und jeweils innerhalb der Schicht kontaktlos bzw. verbindungslos zu diesen ausgebildet. Ein zweiter Antriebsfinger der Gruppe von Antriebsfingern ist in die senkrechte Richtung, senkrecht zur Antriebsachse, innerhalb der Schicht zumindest teilweise zwischen dem zweiten Gegenfinger und dem dritten Gegenfinger angeordnet. Es ist entsprechend möglich, dass die Gruppe von Gegenfingern eine Vielzahl von Gegenfingern umfasst und dass die Gruppe von Antriebsfingern eine Vielzahl von Antriebsfingern umfasst. In die senkrechte Richtung, senkrecht zur Antriebsachse, sind die Gegenfinger und Antriebsfinger bevorzugt abwechselnd angeordnet. Zwischen benachbarten Gegenfingern ist vorzugsweise jeweils eine Öffnung innerhalb der Schicht derart ausgebildet ist, dass die (benachbarten) Gegenfinger innerhalb der Schicht zueinander verbindungslos ausgebildet sind.According to one embodiment of the present invention, it is provided that the group of counter-fingers comprises a third counter-finger, a second opening being formed within the layer between the second and third counter-fingers in such a way that the second and third counter-fingers within the layer are formed without a connection to one another . The first, second and third counter-fingers are in particular respectively adjacent counter-fingers. The second counter-finger is thus arranged between the first and third counter-fingers and is designed in each case within the layer without contact or connection to them. A second drive finger of the group of drive fingers is located in the perpendicular direction, perpendicular to the drive axis, within the layer at least partially between the second counter-finger and the third counter-finger. It is correspondingly possible that the group of counter-fingers comprises a multiplicity of counter-fingers and that the group of drive fingers comprises a multiplicity of drive fingers. In the vertical direction, perpendicular to the drive axis, the counter-fingers and drive fingers are preferably arranged alternately. An opening within the layer is preferably formed in each case between adjacent counter-fingers in such a way that the (adjacent) counter-fingers within the layer are formed without any connection to one another.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der erste Gegenfinger mithilfe einer ersten Substratanbindung fest mit einem Substrat des mikromechanischen Systems verbunden ist, wobei der zweite Gegenfinger mithilfe einer zweiten Substratanbindung fest mit dem Substrat verbunden ist, ist es möglich, separate Substratanbindungen für die einzelnen Gegenfinger zu ermöglichen. Die Gruppe von Gegenfingern umfasst daher besonders bevorzugt keine Struktur, die die Gegenfinger auf Höhe der Gegenfinger (bzw. innerhalb der Schicht) miteinander verbindet. Bevorzugt sind alle Gegenfinger der Gruppe von Gegenfingern jeweils über eigene, separate Substratanbindungen mit dem Substrat verbunden. Die feststehenden Gegenfinger werden dementsprechend bevorzugt jeweils einzeln am Substrat verankert und sind innerhalb der Schicht (insbesondere der Siliziumschicht, in der die Gegenfinger ausgebildet sind) geometrisch vollständig voneinander getrennt.The fact that, according to one embodiment of the present invention, the first counter-finger is firmly connected to a substrate of the micromechanical system using a first substrate connection, the second counter-finger being firmly connected to the substrate using a second substrate connection, it is possible to use separate substrate connections for the individual to allow counter finger. The group of counter-fingers therefore particularly preferably does not include any structure that connects the counter-fingers to one another at the level of the counter-fingers (or within the layer). All counter-fingers of the group of counter-fingers are preferably each connected to the substrate via their own separate substrate connections. The fixed counter-fingers are accordingly preferably anchored individually on the substrate and are completely separated from one another geometrically within the layer (in particular the silicon layer in which the counter-fingers are formed).

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die erste und zweite Substratanbindung in die senkrechte Richtung voneinander versetzt angeordnet sind, wobei die erste und zweite Substratanbindung zusätzlich parallel zur Antriebsachse voneinander versetzt angeordnet sind, ist es möglich, eine besonders platzsparende Anordnung zu realisieren, die dennoch eine Öffnung zwischen den Gegenfingern aufweist, wodurch die Dämpfung verringert ist. Durch den Versatz der Substartanbindungen in eine Richtung parallel zur Antriebsachse kann der Abstand zwischen den Gegenfingern in die senkrechte Richtung verringert werden und dennoch ein vorteilhaftes Dämpfverhalten erzielt werden. Somit kann eine hohe Dichte an Fingern bzw. Antriebsstrukturen erreicht werden. In vielen Fällen kann die technisch bedingte minimale Fingerbreite geringer sein als die minimale Breite für die Verankerung bzw. Anbindung des Gegenfingers am Substrat. Insbesondere für solche Fälle ist durch den Versatz der Substartanbindungen in eine Richtung parallel zur Antriebsachse eine sehr kompakte Anordnung möglich, die insbesondere den Bereich der beweglichen Kämme sehr kompakt gestaltbar hält. Es ist besonders bevorzugt denkbar, dass benachbarte Gegenfinger jeweils abwechselnd versetzt (parallel zur Antriebsachse) am Substrat angebunden sind.Because, according to one embodiment of the present invention, the first and second substrate connection are offset from one another in the vertical direction, with the first and second substrate connection also being offset from one another parallel to the drive axis, it is possible to implement a particularly space-saving arrangement which nevertheless has an opening between the counter fingers, whereby the damping is reduced. By offsetting the substrate connections in a direction parallel to the drive axis, the distance between the opposing fingers in the vertical direction can be reduced and advantageous damping behavior can still be achieved. A high density of fingers or drive structures can thus be achieved. In many cases, the technically required minimum finger width can be less than the minimum width for anchoring or connecting the counter-finger to the substrate. In such cases in particular, a very compact arrangement is possible due to the offset of the substrate connections in a direction parallel to the drive axis, which in particular keeps the region of the movable combs very compact. It is particularly preferred that adjacent counter-fingers are connected to the substrate in an alternately offset manner (parallel to the drive axis).

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Gruppe von Antriebsfingern durch eine Kammrückenstruktur innerhalb der Schicht verbunden ist, insbesondere derart, dass die Gruppe von Antriebsfingern als Kammstruktur ausgebildet ist, ist es möglich, mithilfe der Antriebsfinger eine bewegliche Kammstruktur auszubilden, die in die Gegenfinger eingreift. Im Gegensatz zu der Gruppe von Antriebsfingern umfasst die Gruppe von Gegenfingern jedoch bevorzugt keine Kammrückenstruktur, sondern die einzelnen Gegenfinger sind separat voneinander ausgebildet und nicht durch einen Kammrücken bzw. eine Kammbasis miteinander verbunden.Because, according to one embodiment of the present invention, the group of drive fingers is connected by a comb structure within the layer, in particular in such a way that the group of drive fingers is designed as a comb structure, it is possible to use the drive fingers to form a movable comb structure that counter finger engages. In contrast to the group of drive fingers, however, the group of counter-fingers preferably does not include a comb back structure, rather the individual counter-fingers are formed separately from one another and are not connected to one another by a comb back or a comb base.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Gruppe von Gegenfingern mithilfe einer Leiterbahn an einem Substrat angebunden ist, wobei die Leiterbahn unter der Schicht und/oder der Gruppe von Gegenfingern angeordnet ist, wobei die Leiterbahn in die senkrechte Richtung über die Gruppe von Gegenfindern hinausragt, ist es denkbar, eine besonders platzsparende Anbindung der Gegenfinger an das Substrat zu ermöglich, die gleichzeitig ein vorteilhaftes Dämpfverhalten ermöglicht. Die Gruppe von Gegenfingern kann über die Leiterbahn miteinander verbunden sein. Innerhalb der Schicht, in der die Gegenfinger ausgebildet sind, sind die Gegenfinger jedoch bevorzugt nicht verbunden, sondern jeweils durch entsprechende Öffnungen zwischen den Gegenfingern voneinander getrennt.In that, according to an embodiment of the present invention, the group of counter-fingers is connected to a substrate by means of a conductive trace, the conductive trace being arranged under the layer and/or the group of counter-fingers, the conductive trace being in the vertical direction above the group of counter-fingers protrudes, it is conceivable to enable a particularly space-saving connection of the counter-fingers to the substrate, which at the same time enables advantageous damping behavior. The group of counter-fingers can be connected to one another via the conductor track. However, within the layer in which the counter-fingers are formed, the counter-fingers are preferably not connected, but rather separated from one another by corresponding openings between the counter-fingers.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Gruppe von Gegenfingern mithilfe eines Kontaktbereichs mit der Leiterbahn verbunden ist, wobei der Kontaktbereich in die senkrechte Richtung über die Gruppe von Gegenfingern hinausragt, ist es möglich eine besonders vorteilhafte Verbindung zwischen den Gegenfingern und der Leiterbahn auszubilden.Due to the fact that, according to one embodiment of the present invention, the group of counter-fingers is connected to the conductor track by means of a contact area, with the contact area protruding in the vertical direction beyond the group of counter-fingers, it is possible for a special form ders advantageous connection between the counter-fingers and the conductor track.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist mikromechanisches System, umfassend eine Antriebsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das mikromechanische System kann ein mikroelektromechanisches System sein und insbesondere einen Drehratensensor, Beschleunigungssensor und/oder Aktuator umfassen. MEMS, beispielsweise Drehratensensoren oder Combi-Sensoren, können erfindungsgemäß besonders platzsparend und kostengünstig gebaut werden. Ferner können MEMS, beispielsweise Drehratensensoren oder Combi-Sensoren, erfindungsgemäß bei einem höheren Innendruck betrieben werden, da die Dämpfung der Antriebsstrukturen verringerbar ist, und sind damit unempfindlicher gegenüber Vibrationen. Die erfindungsgemäßen Antriebsstrukturen können beispielsweise für Drehratensensoren im Consumer- oder Automotive-Bereich angewendet werden.Another subject matter of the present invention is a micromechanical system comprising a drive structure according to an embodiment of the present invention. The micromechanical system can be a microelectromechanical system and in particular can include a yaw rate sensor, acceleration sensor and/or actuator. According to the invention, MEMS, for example yaw rate sensors or combination sensors, can be built in a particularly space-saving and cost-effective manner. Furthermore, MEMS, for example yaw rate sensors or combination sensors, can be operated at a higher internal pressure according to the invention, since the damping of the drive structures can be reduced, and are therefore less sensitive to vibrations. The drive structures according to the invention can be used, for example, for yaw rate sensors in the consumer or automotive sector.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das mikromechanische System eine weitere Antriebstruktur umfassend eine Gruppe von weiteren Gegenfingern und eine Gruppe von weiteren Antriebsfingern umfasst, wobei die Gruppe von weiteren Gegenfingern zumindest teilweise in der Schicht ausgebildet ist, wobei die Gruppe von weiteren Gegenfingern mindestens einen ersten weiteren Gegenfinger und einen zweiten weiteren Gegenfinger umfasst, wobei zwischen dem ersten weiteren Gegenfinger und dem zweiten weiteren Gegenfinger innerhalb der Schicht derart eine erste weitere Öffnung ausgebildet ist, dass der erste weitere und zweite weitere Gegenfinger innerhalb der Schicht zueinander verbindungslos ausgebildet sind, wobei die erste weitere Öffnung und die erste Öffnung parallel zur Antriebsachse derart voneinander versetzt angeordnet sind, dass bei einer Bewegung der ersten Gruppe von Antriebsfingern und/oder bei einer Bewegung der ersten weiteren Gruppe von Antriebsfingern ein Gasvolumen, welches zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger angeordnet ist, zumindest teilweise innerhalb der Schicht durch die erste Öffnung und die erste weitere Öffnung verdrängbar ist. Es ist denkbar, jeweils paarweise erfindungsgemäße Antriebsstrukturen, die zueinander in Gegenrichtung arbeiten, auf der Seite ihrer Gegenfinger miteinander zu kombinieren. Dadurch kann erreicht werden, dass das Gas was durch die Öffnungen der Gegenfinger auf der eine Seite der Gegenfinger ausströmt gerade in die weiteren Öffnungen zwischen den weiteren Gegenfingern der weiteren Antriebsstruktur einströmen kann. Somit kann auch hinter den Gegenfingern eine Squeeze-Film-Dämpfung vollständig vermieden werden und ein idealer Volumenaustausch stattfinden.According to one embodiment of the present invention, it is provided that the micromechanical system comprises a further drive structure comprising a group of further counter-fingers and a group of further drive fingers, the group of further counter-fingers being at least partially formed in the layer, the group of further counter-fingers comprises at least a first further counter-finger and a second further counter-finger, with a first further opening being formed between the first further counter-finger and the second further counter-finger within the layer in such a way that the first further and second further counter-fingers are formed without a connection to one another within the layer , wherein the first further opening and the first opening are arranged offset from one another parallel to the drive axis in such a way that when the first group of drive fingers moves and/or when the first further group of drives moves sfingern a gas volume, which is arranged between the first and second counter-finger, can be displaced at least partially within the layer through the first opening and the first further opening. It is conceivable to combine drive structures according to the invention in pairs, which work in opposite directions to one another, on the side of their opposite fingers. It can thereby be achieved that the gas which flows out through the openings of the counter-fingers on one side of the counter-fingers can flow straight into the further openings between the further counter-fingers of the further drive structure. This means that squeeze film damping can also be completely avoided behind the counter-fingers and an ideal volume exchange can take place.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei in einem Herstellungsschritt zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger innerhalb der Schicht derart eine erste Öffnung ausgebildet wird, dass der erste und zweite Gegenfinger innerhalb der Schicht zueinander verbindungslos ausgebildet sind. Die erste Öffnung wird vorzugsweise bei der Ausbildung der Gegenfinger erzeugt.Another object of the present invention is a method for producing a micromechanical system according to an embodiment of the present invention, wherein in a production step between the first and second counter-finger within the layer such a first opening is formed that the first and second counter-finger within the layer are designed to be connected to each other. The first opening is preferably created when the counter fingers are formed.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei sich die Gruppe von Antriebsfingern relativ zu der Gruppe von Gegenfingern parallel zu der Antriebsachse bewegt, wobei bevorzugt ein Gasvolumen, welches zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger angeordnet ist, bei der Bewegung des ersten Antriebsfingers zumindest teilweise innerhalb der Schicht durch die erste Öffnung zwischen dem ersten Gegenfinger und dem zweiten Gegenfinger verdrängt wird. Es ist bevorzugt möglich, dass bei einer Gegenbewegung der Gruppe von Antriebsfingern relativ zur Gruppe von Gegenfingern Gas innerhalb der Schicht durch die erste Öffnung in den Raum zwischen dem ersten Gegenfinger und dem zweiten Gegenfinger strömt. Diese Bewegung und Gegenbewegung können sich wiederholen und eine Schwingung des MEMS darstellen, wobei bei der Schwingung unter anderem die Gruppe von Antriebsfingern relativ zur Gruppe von Gegenfingern schwingt.Another object of the present invention is a method for operating a micromechanical system according to an embodiment of the present invention, wherein the group of drive fingers moves relative to the group of counter-fingers parallel to the drive axis, with preferably a gas volume which is between the first and second Counter-finger is arranged, is displaced at least partially within the layer during the movement of the first drive finger through the first opening between the first counter-finger and the second counter-finger. It is preferably possible that during a counter-movement of the group of drive fingers relative to the group of counter-fingers, gas within the layer flows through the first opening into the space between the first counter-finger and the second counter-finger. This movement and counter-movement can be repeated and represent an oscillation of the MEMS, wherein the oscillation involves, among other things, the group of drive fingers oscillating relative to the group of counter-fingers.

Für das mikromechanische System, das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Systems und das Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Systems können dabei die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Antriebsstruktur oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsstruktur beschreiben worden sind.The advantages and refinements that have already been described in connection with the drive structure according to the invention or in connection with an embodiment of the drive structure according to the invention can be used for the micromechanical system, the method for producing a micromechanical system and the method for operating a micromechanical system.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Figurenlistecharacter list

  • 1 und 2 zeigen schematische Querschnittsdarstellungen eines mikromechanischen Systems gemäß dem Stand der Technik; 1 and 2 show schematic cross-sectional representations of a micromechanical system according to the prior art;
  • 3 zeigt Aufsicht auf ein mikromechanisches System gemäß dem Stand der Technik; 3 shows a top view of a micromechanical system according to the prior art;
  • 4a und 4b zeigen schematisch eine Antriebsstruktur gemäß dem Stand der Technik; 4a and 4b show schematically a drive structure according to the prior art;
  • 5a und 5b zeigen schematisch eine Antriebsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 5a and 5b show schematically a drive structure according to a first embodiment of the present invention;
  • 6a und 6b zeigen schematisch eine Antriebsstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 6a and 6b show schematically a drive structure according to a second embodiment of the present invention;
  • 7 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 FIG. 12 schematically shows a method for producing a micromechanical system according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the various figures, the same parts are always provided with the same reference symbols and are therefore usually named or mentioned only once.

In den 1 und 2 sind schematische Querschnittsdarstellungen eines mikromechanischen Systems gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Charakteristisch für Verfahren zur Herstellung solcher mikromechanischer Systeme ist es häufig, dass bewegliche Siliziumstrukturen in einem ersten Schritt durch ein Ätzverfahren erzeugt werden, wobei Gräben 2 in der Siliziumschicht 1 mit hohem Aspektverhältnis erzeugt werden. In einem zweiten Schritt wird eine Opferschicht 3 (meist eine Oxidschicht) unter der dicken Siliziumschicht 1 entfernt. So werden gegenüber der Unterlage frei bewegliche Siliziumstrukturen erhalten. Unter den beweglichen Strukturen kann eine dünne Polysiliziumschicht 5 angeordnet werden. Die Polysiliziumschicht 5 kann als Aufhängung 6 für die beweglichen oder festen Siliziumstrukturen verwendet werden und/oder als Elektrode 7 unter den beweglichen Strukturen und/oder als Leiterbahn 8. Die beweglichen Strukturen werden meist mit einer Kappe 9 hermetisch geschützt und mit einem definierten Druck verschlossen. Der Kappenwafer kann mit unterschiedlichen Bondverfahren auf den Sensorwafer aufgebracht werden. In der Kappe wird meist eine Kaverne 10 vorgesehen.In the 1 and 2 Schematic cross-sectional representations of a micromechanical system according to the prior art are shown. It is often characteristic of methods for producing such micromechanical systems that movable silicon structures are produced in a first step by an etching method, with trenches 2 being produced in the silicon layer 1 with a high aspect ratio. In a second step, a sacrificial layer 3 (usually an oxide layer) under the thick silicon layer 1 is removed. In this way, silicon structures that are freely movable with respect to the substrate are obtained. A thin polysilicon layer 5 can be arranged under the movable structures. The polysilicon layer 5 can be used as a suspension 6 for the movable or fixed silicon structures and/or as an electrode 7 under the movable structures and/or as a conductor track 8. The movable structures are usually hermetically protected with a cap 9 and sealed with a defined pressure. The cap wafer can be attached to the sensor wafer using different bonding methods. A cavity 10 is usually provided in the cap.

Mit dieser und anderen Oberflächenmikromechanik (OMM)-Techniken können beispielsweise Drehratensensoren oder auch andere Sensoren oder Aktuatoren gebaut werden, die ein oder mehrere bewegliche Strukturen enthalten, die aktiv bewegt werden.This and other surface micromechanics (OMM) techniques can be used, for example, to build yaw rate sensors or other sensors or actuators that contain one or more movable structures that are actively moved.

Bekannte OMM-Drehratensensoren basieren meist auf dem folgenden Grundkonzept: Zwei Massen 11, 12 (bewegliche OMM-Strukturen) werden antiparallel ausgelenkt. Durch die Corioliskraft werden die Massen senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgelenkt. Die Auslenkung wird gemessen und entspricht der zu messenden Drehrate. Ein Beispiel für einen dreiachsigen Drehratensensor gemäß dem Stand der Technik ist in 3 dargestellt. Ein zweigeteilter Antriebsrahmen 13 wird über elektrostatisch angetriebene Kammstrukturen 14 zu einer antiparallelen Bewegung parallel bzw. antiparallel zu einer Antriebsachse110 (X-Richtung) angetrieben. Zwei X-Detektions-Massen 11, 12 werden über Kopplungsfedern in eine senkrechte Richtung 120 (Y-Richtung), senkrecht zur Antriebsachse, bewegt. Liegt eine Drehrate in X-Richtung an, werden die Massen durch die Coriolis-Kraft in Z-Richtung ausgelenkt. Die Auslenkung kann über Elektroden, die unter den beiden Masen liegen, gemessen werden. Mit einem analogen Konzept können die Drehrate in Y- oder in Z-Richtung detektiert werden. Die X-Richtung und Y-Richtung bzw. die Antriebsachse und die senkrechte Richtung verlaufen dabei parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats. Die Z-Richtung verläuft orthogonal zu dieser Haupterstreckungsebene.Known OMM yaw rate sensors are mostly based on the following basic concept: Two masses 11, 12 (movable OMM structures) are deflected antiparallel. Due to the Coriolis force, the masses are deflected perpendicularly to the direction of movement. The deflection is measured and corresponds to the yaw rate to be measured. An example of a three-axis rotation rate sensor according to the prior art is in 3 shown. A two-part drive frame 13 is driven via electrostatically driven comb structures 14 in an anti-parallel movement parallel or anti-parallel to a drive axis 110 (X-direction). Two X detection masses 11, 12 are moved in a vertical direction 120 (Y direction) perpendicular to the drive axis via coupling springs. If there is a yaw rate in the X direction, the masses are deflected in the Z direction by the Coriolis force. The deflection can be measured via electrodes that lie under the two masses. With an analog concept, the yaw rate can be detected in the Y or Z direction. The X-direction and Y-direction or the drive axis and the vertical direction run parallel to a main plane of extension of the substrate. The Z-direction runs orthogonally to this main extension plane.

Der Antrieb der beweglichen Strukturen erfolgt dabei über Antriebskämme 15, die hier an den beiden Antriebsrahmen 13 angeordnet sind. In den 4a und 4b ist eine Antriebsstruktur gemäß dem Stand der Technik gezeigt. In 4a ist die Antriebsstruktur gemäß dem Stand der Technik in einem Ruhezustand und in 4b in einem ausgelenkten Zustand dargestellt. Die Gegenkämme 16 sind am Substrat verankert (Verankerungsbereich 17). Sie greifen in die Antriebskämme 15 hinein. Insbesondere greifen Antriebsfinger 18 der Antriebskämme 15 und Gegenfinger 19 der Gegenkämme 16 ineinander. Zwischen den Antriebskämmen und Gegenkämmen wird eine Spannung angelegt, die eine Kraft auf die bewegliche Struktur ausübt. Bei MEMS-Drehratensensoren wird dazu meist eine geringe Spannung von wenigen Volt genutzt, um kleinbauende und stromsparende Sensoren zu ermöglichen. Mit den geringen Spannungen können nur kleine elektrostatische Kräfte aufgebaut werden. Um trotzdem eine große Auslenkung (typisch 5 bis 20 µm) und damit eine große Corioliskraft und damit wiederum eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, wird die bewegliche Masse in Resonanz angetrieben und der Hohlraum in dem die bewegliche Masse eingeschlossen ist mit einem sehr geringen Druck versehen, damit die bewegliche Masse mit einer möglichst hohen Güte schwingen kann. Durch die hohe Güte kann die bewegliche Masse auch mit einer sehr kleinen Antriebskraft zu einer Schwingung mit einer hohen Amplitude angeregt werden. Die Antriebsfinger 18 und die Gegenfinger 19 werden dabei bei aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen üblicherweise als Kammstrukturen 15, 16, wie in den 4a und 4b gezeigt, realisiert. Es werden mehrere Antriebsfinger 18 über eine sich senkrecht zu ihnen erstreckende Kammbasis 20 (bzw. eine Kammrückenstruktur) aufgehängt, die an der beweglichen Masse fixiert wird. In gleicher Weise werden viele parallele Gegenfinger 19 an einer weiteren Kammbasis 21 (bzw. einen Kammrückenstruktur) senkrecht angeordnet und die weitere Kammbasis 21 wird am Substrat verankert. Somit sind die Gegenfinger 19 über einen Kammrücken bzw. eine weitere Kammbasis 21 innerhalb der Schicht, in der Gegenfinger 19 ausgebildet sind, miteinander verbunden. Die Verankerung am Substrat kann in Richtung der weiteren Kammbasis 21 nach außen in Y-Richtung (senkrecht zur Antriebsachse) verschoben sein. Weiter können in dieser Anordnung mehrere Antriebskämme mit gleicher Antriebsrichtung mit gemeinsamer Verankerung hintereinander angeordnet werden.The moving structures are driven via drive combs 15 which are arranged here on the two drive frames 13 . In the 4a and 4b a drive structure according to the prior art is shown. In 4a is the drive structure according to the prior art in a state of rest and in 4b shown in a deflected state. The counter-combs 16 are anchored to the substrate (anchoring area 17). They reach into the drive combs 15 . In particular, the drive fingers 18 of the drive combs 15 and counter-fingers 19 of the counter-combs 16 mesh. A tension is applied between the drive combs and counter combs, which exerts a force on the movable structure. In the case of MEMS yaw rate sensors, a low voltage of a few volts is usually used to enable compact and energy-saving sensors. With the low voltages, only small electrostatic forces can be built up. In order to still achieve a large deflection (typically 5 to 20 µm) and thus a large Coriolis force and thus in turn a high sensitivity, the moving mass is driven in resonance and the cavity in which the moving mass is enclosed is provided with a very low pressure. so that the movable mass can oscillate with the highest possible quality. Due to the high quality, the movable mass can be excited to oscillate with a high amplitude even with a very small driving force. In the case of designs known from the prior art, the drive fingers 18 and the counter-fingers 19 are usually designed as comb structures 15, 16, as in FIGS 4a and 4b shown, realized. A plurality of drive fingers 18 are suspended from a comb base 20 (or comb back structure) extending perpendicularly thereto, which is fixed to the movable mass. In the same way, many parallel counter-fingers 19 on a white teren comb base 21 (or a comb back structure) arranged vertically and the other comb base 21 is anchored to the substrate. The counter-fingers 19 are thus connected to one another via a comb back or a further comb base 21 within the layer in which the counter-fingers 19 are formed. The anchoring on the substrate can be shifted outwards in the direction of the further comb base 21 in the Y direction (perpendicular to the drive axis). Furthermore, in this arrangement, several drive combs with the same drive direction can be arranged one behind the other with a common anchoring.

Die Güte der Antriebsbewegung wird sehr stark durch die Antriebsfinger bestimmt. Wie in den 4a und 4b dargestellt ist, wird bei der Bewegung der Antriebsfinger zwischen den Fingern und den Aufhängungen bzw. der weiteren Kammbasis 21 der Gegenfinger 19 (bzw. dem Kammrücken der Gegenfinger) ein Gasvolumen 22 verdrängt. Das Gas, das sich in diesem Bereich befindet, wird aus diesem Bereich vertikal herausgedrängt und umgelenkt. In diesem Bereich kommt es daher zu einer Squeeze-Film-Dämpfung, die im Wesentlichen für das Dämpfungsverhalten der Antriebsfinger verantwortlich ist. Die Squeeze-Film-Dämpfung erzeugt dabei typischerweise einen vergleichsweise sehr starken Dämpfungseffekt. Daher tragen die Antriebsstrukturen sehr stark zur Dämpfung der beweglichen Massen bei.The quality of the drive movement is very strongly determined by the drive fingers. As in the 4a and 4b is shown, a gas volume 22 is displaced during the movement of the drive fingers between the fingers and the suspensions or the further comb base 21 of the counter-finger 19 (or the back of the comb of the counter-finger). The gas that is in this area is pushed out of this area vertically and deflected. Squeeze film damping occurs in this area, which is essentially responsible for the damping behavior of the drive fingers. The squeeze film damping typically produces a comparatively very strong damping effect. The drive structures therefore make a major contribution to dampening the moving masses.

Über eine geeignete Wahl des Drucks im Hohlraum, kann die gewünschte Dämpfung der beweglichen Massen eingestellt werden. Allerdings ergeben sich dabei unter anderem beispielsweise die folgenden Probleme:

  • -- In manchen Herstellungsprozessen gibt es eine Drucklimitierung und es kann kein ausreichend geringer Innendruck eingestellt werden (beispielsweise wird beim Bonden eine hohe Temperatur verwendet, die je nach benutztem Wafer zu einem Ausgasen aus den Wafern führen kann);
  • -- In Fällen, in denen ein Beschleunigungssensor und ein Drehratensensor im gleichen Hohlraum kombiniert werden sollen, ist die Wahl des Drucks ebenfalls schwierig und limitiert, da der optimale Arbeitsdruck für einen typischen Beschleunigungssensor höher liegt;
  • -- In vielen Fällen ist der Innendruck durch die Güte der Antriebsbewegung und die Antriebsspannung begrenzt. Bezüglich der Vibrationsrobustheit ist es aber wünschenswert, dass MEMS bei einem möglichst hohen Innendruck und damit bei geringer Güte betrieben werden, damit Schwingungen von außen möglichst nicht auf die beweglichen Strukturen übertragen werden oder zumindest stark gedämpft werden. Dies gilt beispielsweise insbesondere für viele Drehratensensoren. Die Dämpfung der Detektionsbewegung könnte zwar durch einen höheren Innendruck noch erhöht werden, ohne dass dadurch Empfindlichkeit verloren geht, allerdings wären die Sensoren dann nicht mehr antreibbar.
The desired damping of the moving masses can be set by suitably selecting the pressure in the cavity. However, the following problems arise, for example:
  • -- In some manufacturing processes, there is a pressure limitation and it is not possible to set a sufficiently low internal pressure (for example, a high temperature is used during bonding, which can lead to outgassing from the wafers, depending on the wafer used);
  • -- In cases where an accelerometer and a yaw rate sensor are to be combined in the same cavity, the choice of pressure is also difficult and limited since the optimal working pressure for a typical accelerometer is higher;
  • -- In many cases, the internal pressure is limited by the quality of the drive movement and the drive voltage. With regard to vibration robustness, however, it is desirable for MEMS to be operated at the highest possible internal pressure and thus at low quality, so that vibrations from the outside are not transmitted to the movable structures or are at least strongly damped. This applies in particular to many yaw rate sensors, for example. Although the damping of the detection movement could be increased by a higher internal pressure without losing sensitivity as a result, the sensors would then no longer be drivable.

Derartige Nachteile und Probleme können erfindungsgemäß überwunden werden.Such disadvantages and problems can be overcome according to the invention.

In den 5a und 5b ist eine Antriebsstruktur 40 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei zeigt 5a die Antriebsstruktur 40 in einem Ruhezustand und 5b die Antriebsstruktur 40 in einem ausgelenkten Zustand. Die Antriebsstruktur 40 ist Teil eines mikromechanischen Systems 70. Die Antriebsstruktur 40 umfasst eine Gruppe von Antriebsfingern 50, die mehrere Antriebsfinger 51, 52 umfasst. Die Gruppe von Antriebsfingern 50 ist durch eine Kammrückenstruktur 55 bzw. eine Kammbasis verbunden, sodass die Antriebsfinger als Kammstruktur ausgebildet sind. Ferner umfasst die Antriebsstruktur 40 eine Gruppe von Gegenfingern 60, die eine Vielzahl parallel ausgerichtete Gegenfinger, unter anderem die Gegenfinger 61, 62, 63, umfasst. Die Gruppe von Gegenfingern 60 und die Gruppe von Antriebsfingern 50 greifen ineinander und sind jeweils abwechselnd angeordnet. Zwischen dem ersten Gegenfinger 61 und dem benachbarten zweiten Gegenfinger 62 ist somit ein erster Antriebsfinger 51 angeordnet. Sowohl die Gruppe von Gegenfingern 60 als auch die Gruppe von Antriebsfingern 50 sind bevorzugt in einer Schicht 80 ausgebildet, beispielsweise einer Siliziumschicht 1. Erfindungsgemäß ist zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger 61, 62 innerhalb der Schicht 80 eine erste Öffnung 71 ausgebildet, sodass der erste und zweite Gegenfinger 61, 62 innerhalb der Schicht 80 zueinander verbindungslos ausgebildet sind. Der erste und zweite Gegenfinger 61, 62 sind somit insbesondere nicht durch eine weitere Kammbasis 21 verbunden bzw. es ist keine weitere Kammbasis 21 vorhanden. Entsprechend besteht eine zweite Öffnung 72 zwischen dem zweiten und dritten Gegenfinger 62, 63, sodass auch diese innerhalb der Schicht 80 nicht miteinander verbunden sind. Auch zwischen den weiteren Gegenfinger der Gruppe von Gegenfingern 60 bestehen entsprechende Öffnungen. der erste Gegenfinger 61 ist mithilfe einer ersten Substratanbindung 91 fest mit einem Substrat 100 verbunden und der zweite Gegenfinger 62 ist mithilfe einer zweiten Substratanbindung 92 fest mit dem Substrat 100 verbunden. Die erste und zweite Substratanbindung 91, 92 sind sowohl in die senkrechte Richtung 120 als auch parallel zur Antriebsachse 110 voneinander versetzt angeordnet. Entsprechend sind auch die Substratanbindungen der weiteren Gegenfinger jeweils versetzt zur Substratanbindung des jeweils benachbarten Gegenfingers angeordnet. Hierdurch lassen sich einerseits die Öffnungen 71, 72 realisieren. Andererseits kann auch in dem Fall, dass die Substartanbindungen 91, 92 technisch oder prozessbedingt breiter sind als die Gegenfinger 61, 62, 63, Platz gespart werden, insbesondere da der Abstand in die senkrechte Richtung 120 zwischen den einzelnen Gegenfingern 61, 62, 63 vergleichsweise gering gewählt werden kann und dennoch entsprechende Öffnungen 71, 72 realisierbar sind. Es ist beispielsweise möglich, wie in den 5a und 5b dargestellt, dass zwei Reihen 25, 26 (in die senkrechte Richtung 120) vorhanden sind, wobei die Substrandbindungen 91, 92 jeweils abwechselnd in der einen Reihe 25 und der anderen Reihe 26 angeordnet sind.In the 5a and 5b Illustrated is a drive structure 40 according to a first embodiment of the present invention. Here shows 5a the drive structure 40 in a rest state and 5b the drive structure 40 in a deflected state. The drive structure 40 is part of a micromechanical system 70. The drive structure 40 includes a group of drive fingers 50, which includes a plurality of drive fingers 51, 52. The group of drive fingers 50 is connected by a comb back structure 55 or a comb base, so that the drive fingers are designed as a comb structure. Furthermore, the drive structure 40 comprises a group of counter-fingers 60, which comprises a multiplicity of counter-fingers aligned in parallel, including the counter-fingers 61, 62, 63. The group of counter-fingers 60 and the group of drive fingers 50 intermesh and are each arranged alternately. A first drive finger 51 is thus arranged between the first counter-finger 61 and the adjacent second counter-finger 62 . Both the group of counter-fingers 60 and the group of drive fingers 50 are preferably formed in a layer 80, for example a silicon layer 1. According to the invention, a first opening 71 is formed between the first and second counter-fingers 61, 62 within the layer 80, so that the first and second counter-fingers 61, 62 are formed within the layer 80 without any connection to one another. The first and second counter-fingers 61, 62 are thus in particular not connected by a further comb base 21 or there is no further comb base 21 present. Correspondingly, there is a second opening 72 between the second and third counter-fingers 62, 63, so that these are not connected to one another within the layer 80 either. Corresponding openings also exist between the further counter-fingers of the group of counter-fingers 60 . the first counter-finger 61 is firmly connected to a substrate 100 by means of a first substrate connection 91 and the second counter-finger 62 is firmly connected to the substrate 100 by means of a second substrate connection 92 . The first and second substrate connection 91, 92 are offset from one another both in the vertical direction 120 and parallel to the drive axis 110. Correspondingly, the substrate connections of the other counter fingers are offset to the substrate connected to the respective adjacent opposite finger. As a result, the openings 71, 72 can be realized on the one hand. On the other hand, space can also be saved in the event that the substrate connections 91, 92 are technically or process-related wider than the counter-fingers 61, 62, 63, especially since the distance in the vertical direction 120 between the individual counter-fingers 61, 62, 63 is comparatively large can be selected to be small and yet corresponding openings 71, 72 can be realized. It is possible, for example, as in the 5a and 5b shown that two rows 25, 26 (in the vertical direction 120) are present, with the substrate bonds 91, 92 being arranged alternately in one row 25 and the other row 26.

Die Gruppe von Antriebsfingern 50 ist relativ zu der Gruppe von Gegenfingern 60 parallel zu einer Antriebsachse 110 beweglich. In 5b ist die Antriebsstruktur 40 in einem ausgelenkten Zustand gezeigt, bei dem die Gruppe von Antriebsfingern 50 relativ zur Gruppe von Gegenfingern 60 verschoben ist. Ein Gasvolumen 22, welches im Ruhezustand (5a) zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger 61, 62 vorhanden ist, wird bei der Bewegung durch den ersten Antriebsfinger 51 verdrängt. Das Gasvolumen 22 kann dabei zumindest teilweise innerhalb der Schicht 80 durch die Öffnung 71 in die Umgebung verdrängt werden und muss nicht vertikal aus der Ebene der Schicht 80 heraus ausweichen. Entsprechendes gilt auch jeweils für die weiteren Gegenfinger und Antriebsfinger, da auch dort zwischen den Gegenfingern entsprechende Öffnungen vorhanden sind.The set of drive fingers 50 is movable relative to the set of counter-fingers 60 parallel to a drive axis 110 . In 5b 1, the drive structure 40 is shown in a deflected state in which the set of drive fingers 50 is displaced relative to the set of counter fingers 60. FIG. A gas volume 22, which at rest ( 5a) is present between the first and second counter-fingers 61, 62 is displaced by the first drive finger 51 during the movement. The gas volume 22 can be displaced at least partially within the layer 80 through the opening 71 into the environment and does not have to deviate vertically out of the plane of the layer 80 . The same also applies to the other counter-fingers and drive fingers, since corresponding openings are also present there between the counter-fingers.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die senkrechte Richtung 120 (Y) und die Antriebsachse 110 (X) parallel zur einer Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufen. Die Dicke bzw. Höhe der Schicht 80 bezieht sich auf eine Ausdehnung der Schicht 80 in eine Richtung senkrecht zur senkrechten Richtung 120 und senkrecht zur Antriebsachse 110.According to the present invention, it is conceivable that the vertical direction 120 (Y) and the drive axis 110 (X) run parallel to a main extension plane of the substrate. The thickness or height of layer 80 refers to an extension of layer 80 in a direction perpendicular to perpendicular direction 120 and perpendicular to drive axis 110.

Ferner ist es möglich, dass eine weitere Antriebsstruktur 40' vorhanden ist. Diese umfasst, analog zu der Antriebsstruktur 40, eine Gruppe von weiteren Gegenfingern 60' und eine Gruppe von weiteren Antriebsfingern 50'. Auch bei der weiteren Antriebstruktur 40' ist dabei jeweils zwischen benachbarten Gegenfingern 61', 62', eine erste weitere Öffnung 71' ausgebildet, sodass die benachbarten Gegenfinger 61', 62' innerhalb der Schicht 80 verbindungslos ausgebildet sind. Die Antriebsstrukturen 40, 40' arbeiten zueinander in Gegenrichtung. Es ist möglich, die Antriebstruktur 40 mit der weiteren Antriebsstruktur 40' auf der jeweiligen Seite der Gruppe von Gegenfingern 60, 60' derart miteinander zu kombinieren, dass die erste Öffnung 71 und die erste weitere Öffnung 71' sich zumindest teilweise gegenüberliegen. Entsprechendes ist für die weiteren Öffnungen 72, 72' möglich. Dadurch kann erreicht werden, dass das Gas, was durch die Öffnungen 71, 72 der Gruppe von Gegenfingern 60 bei einer Antriebsbewegung ausströmt, durch die weiteren Öffnungen 71', 72' in die Zwischenräume zwischen den weiteren Gegenfingern 61', 62' der weiteren Gruppe von Gegenfingern 60' einströmen kann. Somit kann eine Squeeze-Film-Dämpfung auch hinter den Gegenfingern 61, 62, 63 besonders vorteilhaft, insbesondere vollständig, vermieden werden und ein idealer Volumenaustausch stattfinden.Furthermore, it is possible that a further drive structure 40' is present. Analogously to the drive structure 40, this includes a group of further counter-fingers 60' and a group of further drive fingers 50'. In the further drive structure 40', too, a first further opening 71' is formed between adjacent counter-fingers 61', 62', so that the adjacent counter-fingers 61', 62' are formed without connection within the layer 80. The drive structures 40, 40' work in opposite directions to one another. It is possible to combine the drive structure 40 with the further drive structure 40' on the respective side of the group of counter-fingers 60, 60' in such a way that the first opening 71 and the first further opening 71' are at least partially opposite one another. The same is possible for the other openings 72, 72'. It can thereby be achieved that the gas, which flows out through the openings 71, 72 of the group of counter-fingers 60 during a drive movement, through the further openings 71', 72' into the spaces between the further counter-fingers 61', 62' of the further group can flow in from counter fingers 60'. Thus, a squeeze film damping behind the counter-fingers 61, 62, 63 can be avoided in a particularly advantageous manner, in particular completely, and an ideal volume exchange can take place.

In den 6a und 6b ist eine Antriebsstruktur 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wiederum ist zwischen benachbarten Gegenfingern 61, 62 der Gruppe von Gegenfingern 60 jeweils eine Öffnung 71 vorhanden, sodass die benachbarten Gegenfinger 61, 62 innerhalb der Schicht 80 verbindungslos ausgebildet sind. In diesem Fall ist die Gruppe von Gegenfingern 60 mithilfe einer Leiterbahn 30 am Substrat 100 befestigt, die unterhalb der Schicht 80 angeordnet ist. Diese Aufhängung der Gruppe von Gegenfingern 60 vermeidet in besonders vorteilhafter Weise eine Verbreitung der Gegenfinger 61, 62, 63 im Bereich der Aufhängung. Die Gegenfinger 61, 62, 63 können damit kürzer gestaltet werden und es kann Platz gespart werden. Die Aufhängungen mithilfe der Leiterschicht 30 erlauben Öffnungen 71, 72 zum Ausströmen des Gases ohne jede Einschnürung. Es ist insbesondere denkbar, unterhalb der Gruppe von Gegenfingern 60 eine Leiterbahn 30, beispielsweise aus Polysilizium, anzuordnen, die in senkrechter Richtung 120 (Y-Richtung) deutlich über die Gruppe von Gegenfingern 60 hinausragt. Zwischen den Gegenfingern 61, 62, 63 und Leiterbahn 30 wird ein Kontaktbereich 31 vorgesehen, der ebenfalls in senkrechter Richtung 120 deutlich über die Gruppe von Gegenfingern 60 hinausragt. Unterhalb der Gegenfinger 61, 62, 63 wird der Kontaktbereich 31 bevorzugt derart gewählt, dass mindesten eine Kante des Kontaktbereichs 31 über einem Bereich liegt der mit einer Leiterbahn 30 unterlegt ist. Damit kann erreicht werden, dass die Gegenfinger 61, 62, 63, über deren volle Breite, an der Leiterbahn 30 angebunden werden. In den Kontaktbereichen, an denen kein Gegenfinger 61, 62, 63 über der Leiterbahn liegt, kann die Leiterbahn 30 durch den Trenchprozess der Gegenfinger 61, 62, 63 mit entfernt werden. Es entstehen Löcher. Die Leiterbahn 30 kann hierdurch in einem Opferschichtätzprozess lokal unterätzt werden. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn die Leiterbahn 30 dicker als 200 nm, insbesondere dicker als 1µm, gewählt wird, um eine robuste Aufhängung der Gruppe von Gegenfingern 60 zu gewährleisten. Die Leiterbahnen 30 können in einem äußeren Bereich 32 besonders breit oder ohne Kontaktbereich gewählt werden, um in diesem Bereich im Opferschichtätzprozess mit dem Substrat 100 verbunden zu bleiben.In the 6a and 6b Illustrated is a drive structure 40 according to a second embodiment of the present invention. Again, there is an opening 71 between adjacent counter-fingers 61, 62 of the group of counter-fingers 60, so that the adjacent counter-fingers 61, 62 are formed without connection within the layer 80. In this case, the set of counter-fingers 60 is fixed to the substrate 100 by means of a conductive track 30 arranged below the layer 80 . This suspension of the group of counter-fingers 60 avoids spreading of the counter-fingers 61, 62, 63 in the area of the suspension in a particularly advantageous manner. The counter-fingers 61, 62, 63 can thus be made shorter and space can be saved. The suspensions by means of the conductor layer 30 allow openings 71, 72 for the outflow of the gas without any constriction. It is particularly conceivable to arrange a conductor track 30, for example made of polysilicon, below the group of counter-fingers 60, which protrudes significantly beyond the group of counter-fingers 60 in the vertical direction 120 (Y-direction). A contact area 31 is provided between the counter-fingers 61, 62, 63 and the conductor track 30, which likewise protrudes significantly beyond the group of counter-fingers 60 in the vertical direction 120. FIG. Below the counter-fingers 61, 62, 63, the contact area 31 is preferably selected in such a way that at least one edge of the contact area 31 lies over an area that has a conductor track 30 underneath it. It can thus be achieved that the counter-fingers 61, 62, 63 are connected to the conductor track 30 over their full width. In the contact areas where no counter-finger 61, 62, 63 lies over the conductor track, the conductor track 30 can also be removed by the trenching process of the counter-fingers 61, 62, 63. Holes appear. As a result, the conductor track 30 can be undercut locally in a sacrificial layer etching process. It is therefore particularly advantageous if the printed conductor 30 is chosen to be thicker than 200 nm, in particular thicker than 1 μm, in order to ensure a robust suspension of the group of counter-fingers 60 . The conductor tracks 30 can be chosen to be particularly wide or without a contact area in an outer area 32 in order to to remain connected to the substrate 100 in this area in the sacrificial layer etching process.

In 7 ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen mikromechanischen Systems 70 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es sind dabei von links nach rechts ein erster, zweiter, dritter und vierter Prozessschritt 201, 202, 203, 204 schematisch dargestellt. Im oberen Teil der 7 ist jeweils eine Aufsicht dargestellt. Darunter sind Schnittansichten entlang der Schnittlinien B, C und D dargestellt. Im ersten Prozessschritt 201 wir die Leiterbahn 30 und ein Kontaktbereich 31 erzeugt. Im zweiten Prozessschritt wird die Schicht 80 aufgebracht, insbesondere als eine Siliziumschicht 1. Mithilfe eines Trenchprozesses wird im dritten Prozessschritt 203 die Gruppe von Gegenfingern 60 erzeugt, wobei zwischen jeweils benachbarten Gegenfingern 61, 62, 63 die Öffnungen 71, 72 erzeugt werden. Im vierten Prozessschritt 204 wird ein Opferschichtätzprozess durchgeführt, wobei die Leiterbahn 30 lokal unterätzt wird. In einem äußeren Bereich 32 bleibt die Leiterbahn 30 jedoch mit dem Substrat 100 verbunden, sodass die Gruppe von Gegenfingern 60 mithilfe der Leiterbahn 30 mit dem Substrat 100 verbunden ist.In 7 a method for producing such a micromechanical system 70 according to an embodiment of the present invention is shown. A first, second, third and fourth process step 201, 202, 203, 204 are shown schematically from left to right. In the upper part of the 7 a supervision is shown in each case. Sectional views along section lines B, C and D are shown below. In the first process step 201, the conductor track 30 and a contact area 31 are produced. In the second process step, the layer 80 is applied, in particular as a silicon layer 1. The group of counter-fingers 60 is produced in the third process step 203 with the aid of a trench process, with the openings 71, 72 being produced between respectively adjacent counter-fingers 61, 62, 63. In the fourth process step 204, a sacrificial layer etching process is carried out, with the conductor track 30 being locally undercut. In an outer region 32 , however, the conductor track 30 remains connected to the substrate 100 , so that the group of counter-fingers 60 is connected to the substrate 100 with the aid of the conductor track 30 .

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 19537814 A1 [0002]DE 19537814 A1 [0002]

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Antriebsstruktur (40) für ein mikromechanisches System (70), wobei die Antriebsstruktur (40) eine Gruppe von Antriebsfingern (50) und eine Gruppe von Gegenfingern (60) umfasst, wobei die Gruppe von Antriebsfingern (50) relativ zu der Gruppe von Gegenfingern (60) parallel zu einer Antriebsachse (110) beweglich ist, wobei die Gruppe von Gegenfingern (60) zumindest teilweise in einer Schicht (80) ausgebildet ist, wobei die Gruppe von Gegenfingern (60) mindestens einen ersten Gegenfinger (61) und einen zweiten Gegenfinger (62) umfasst, wobei ein erster Antriebsfinger (51) der Gruppe von Antriebsfingern (50) in eine senkrechte Richtung (120), senkrecht zur Antriebsachse (110), innerhalb der Schicht (80) zumindest teilweise zwischen dem ersten Gegenfinger (61) und dem zweiten Gegenfinger (62) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger (61, 62) innerhalb der Schicht (80) derart eine erste Öffnung (71) ausgebildet ist, dass der erste und zweite Gegenfinger (61, 62) innerhalb der Schicht (80) zueinander verbindungslos ausgebildet sind.Drive structure (40) for a micromechanical system (70), wherein the drive structure (40) comprises a group of drive fingers (50) and a group of counter-fingers (60), wherein the group of drive fingers (50) relative to the group of counter-fingers ( 60) is movable parallel to a drive axis (110), the group of counter-fingers (60) being formed at least partially in one layer (80), the group of counter-fingers (60) having at least a first counter-finger (61) and a second counter-finger (62), wherein a first drive finger (51) of the group of drive fingers (50) moves in a perpendicular direction (120), perpendicular to the drive axis (110), within the layer (80) at least partially between the first counter-finger (61) and the second counter-finger (62), characterized in that between the first and second counter-finger (61, 62) within the layer (80) a first opening (71) is formed such that the first and second Ge Genfinger (61, 62) within the layer (80) are formed without connection to each other. Antriebsstruktur (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bewegung des ersten Antriebsfingers (51) ein Gasvolumen (22), welches zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger (61, 62) angeordnet ist, zumindest teilweise durch die erste Öffnung (71) zwischen dem ersten Gegenfinger (61) und dem zweiten Gegenfinger (62) innerhalb der Schicht (80) verdrängbar ist.Drive structure (40) after claim 1 , characterized in that when the first drive finger (51) moves, a gas volume (22), which is arranged between the first and second counter-finger (61, 62), flows at least partially through the first opening (71) between the first counter-finger (61 ) and the second counter-finger (62) can be displaced within the layer (80). Antriebsstruktur (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Gegenfingern (60) einen dritten Gegenfinger (63) umfasst, wobei zwischen dem zweiten und dritten Gegenfinger (62, 63) eine zweite Öffnung (72) innerhalb der Schicht (80) derart ausgebildet ist, dass der zweite und dritte Gegenfinger (62, 63) innerhalb der Schicht (80) zueinander verbindungslos ausgebildet sind.Drive structure (40) according to any one of the preceding claims, characterized in that the group of counter-fingers (60) comprises a third counter-finger (63), between the second and third counter-fingers (62, 63) a second opening (72) within the layer (80) is designed in such a way that the second and third counter-fingers (62, 63) are designed without connection to one another within the layer (80). Antriebsstruktur (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gegenfinger (61) mithilfe einer ersten Substratanbindung (91) fest mit einem Substrat (100) verbunden ist, wobei der zweite Gegenfinger (62) mithilfe einer zweiten Substratanbindung (92) fest mit dem Substrat (100) verbunden ist.Drive structure (40) according to one of the preceding claims, characterized in that the first counter-finger (61) is firmly connected to a substrate (100) by means of a first substrate connection (91), the second counter-finger (62) by means of a second substrate connection (92 ) is firmly connected to the substrate (100). Antriebsstruktur (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Substratanbindung (91, 92) in die senkrechte Richtung (120) voneinander versetzt angeordnet sind, wobei die erste und zweite Substratanbindung (91, 92) zusätzlich parallel zur Antriebsachse (110) voneinander versetzt angeordnet sind.Drive structure (40) after claim 4 , characterized in that the first and second substrate connection (91, 92) are arranged offset from one another in the vertical direction (120), the first and second substrate connection (91, 92) additionally being arranged offset from one another parallel to the drive axis (110). Antriebsstruktur (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Antriebsfingern (50) durch eine Kammrückenstruktur (55) innerhalb der Schicht verbunden ist, insbesondere derart, dass die Gruppe von Antriebsfingern (50) als Kammstruktur ausgebildet ist.Drive structure (40) according to one of the preceding claims, characterized in that the group of drive fingers (50) is connected by a comb structure (55) within the layer, in particular such that the group of drive fingers (50) is designed as a comb structure. Antriebsstruktur (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Gegenfingern (60) mithilfe einer Leiterbahn (30) an einem Substrat (100) angebunden ist, wobei die Leiterbahn (30) unter der Schicht (80) und/oder der Gruppe von Gegenfingern (60) angeordnet ist, wobei die Leiterbahn (30) in die senkrechte Richtung (120) über die Gruppe von Gegenfindern (60) hinausragt.Drive structure (40) according to one of the preceding claims, characterized in that the group of counter-fingers (60) is connected to a substrate (100) by means of a conductor track (30), the conductor track (30) being under the layer (80) and/or or the group of counter-fingers (60), the conductor track (30) protruding in the vertical direction (120) beyond the group of counter-fingers (60). Antriebsstruktur (40) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Gegenfingern (60) mithilfe eines Kontaktbereichs (31) mit der Leiterbahn (30) verbunden ist, wobei der Kontaktbereich (31) in die senkrechte Richtung (120) über die Gruppe von Gegenfingern (60) hinausragt.Drive structure (40) after claim 7 , characterized in that the group of counter-fingers (60) is connected to the conductor track (30) by means of a contact area (31), the contact area (31) protruding in the vertical direction (120) over the group of counter-fingers (60). Mikromechanisches System (70), umfassend eine Antriebsstruktur (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Micromechanical system (70) comprising a drive structure (40) according to one of the preceding claims. Mikromechanisches System (70) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische System (70) eine weitere Antriebstruktur (40'), umfassend eine Gruppe von weiteren Gegenfingern (60') und eine Gruppe von weiteren Antriebsfingern (50'), umfasst, wobei die Gruppe von weiteren Gegenfingern (60') zumindest teilweise in der Schicht (80) ausgebildet ist, wobei die Gruppe von weiteren Gegenfingern (60') mindestens einen ersten weiteren Gegenfinger (61') und einen zweiten weiteren Gegenfinger (62') umfasst, wobei zwischen dem ersten weiteren Gegenfinger (61') und dem zweiten weiteren Gegenfinger (62') innerhalb der Schicht (80) derart eine erste weitere Öffnung (71') ausgebildet ist, dass der erste weitere und zweite weitere Gegenfinger (61', 62') innerhalb der Schicht (80) zueinander verbindungslos ausgebildet sind, wobei die erste weitere Öffnung (71') und die erste Öffnung (71) parallel zur Antriebsachse (110) derart voneinander versetzt angeordnet sind, dass bei einer Bewegung der ersten Gruppe von Antriebsfingern (50) und/oder bei einer Bewegung der ersten weiteren Gruppe von Antriebsfingern (50') ein Gasvolumen (22), welches zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger (61, 62) angeordnet ist, zumindest teilweise innerhalb der Schicht (80) durch die erste Öffnung (71) und die erste weitere Öffnung (71') verdrängbar ist.Micromechanical system (70) after claim 9 , characterized in that the micromechanical system (70) comprises a further drive structure (40'), comprising a group of further counter-fingers (60') and a group of further drive fingers (50'), wherein the group of further counter-fingers (60 ') is formed at least partially in the layer (80), the group of further counter-fingers (60') comprising at least a first further counter-finger (61') and a second further counter-finger (62'), wherein between the first further counter-finger ( 61') and the second further counter-finger (62') within the layer (80) a first further opening (71') is formed in such a way that the first further and second further counter-finger (61', 62') within the layer (80 ) are designed without connection to one another, the first further opening (71') and the first opening (71) being offset from one another parallel to the drive axis (110) in such a way that when the first group of drive fingers (50 ) and/or during a movement of the first further group of drive fingers (50'), a gas volume (22) which is arranged between the first and second counter-fingers (61, 62) at least partially within the layer (80) through the first opening (71) and the first further opening (71') can be displaced. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Systems (70) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei in einem Herstellungsschritt zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger (61, 62) innerhalb der Schicht (80) derart eine erste Öffnung (71) ausgebildet wird, dass der erste und zweite Gegenfinger (61, 62) innerhalb der Schicht (80) zueinander verbindungslos ausgebildet sind.Method for producing a micromechanical system (70) according to one of claims 9 or 10 , wherein in a manufacturing step between the first and second counter-finger (61, 62) within the layer (80) a first opening (71) is formed such that the first and second counter-finger (61, 62) within the layer (80) to each other are designed without connection. Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Systems (70) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei sich die Gruppe von Antriebsfingern (50) relativ zu der Gruppe von Gegenfingern (60) parallel zu der Antriebsachse (110) bewegt, wobei bevorzugt ein Gasvolumen (22), welches zwischen dem ersten und zweiten Gegenfinger (61, 62) angeordnet ist, bei der Bewegung des ersten Antriebsfingers (51) zumindest teilweise innerhalb der Schicht (80) durch die erste Öffnung (71) zwischen dem ersten Gegenfinger (61) und dem zweiten Gegenfinger (62) verdrängt wird.Method for operating a micromechanical system (70) according to one of claims 9 or 10 wherein the group of drive fingers (50) moves relative to the group of counter-fingers (60) parallel to the drive axis (110), preferably with a gas volume (22) arranged between the first and second counter-fingers (61, 62). , is displaced at least partially within the layer (80) through the first opening (71) between the first counter-finger (61) and the second counter-finger (62) during the movement of the first drive finger (51).
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