CN102378733B - 微机械系统以及用于制造微机械系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有有振动能力的系统的微机械系统（1），所述有振动能力的系统具有激振质量（2）以及至少两个弹簧元件（3），其中所述弹簧元件（3）分别一方面在外面连接到所述激振质量（2）上并且另一方面连接到所述微机械系统（1）的固定的锚定点（4）上，从而能够实现所述激振质量（2）的沿运动方向（B）的振动。为了获得所述有振动能力的系统的有效模式与其它振动模式之间的特别大的频率间隔，按本发明规定，在所述激振质量（2）的内部区域中额外地设置了至少一个另外的弹簧元件（7、7a、7b、7c、7d、7e），借助于所述另外的弹簧元件将所述激振质量（2）连接到所述微机械系统（1）的另外的锚定点（8）上。此外，本发明涉及一种用于制造具有有振动能力的系统的微机械系统（1）的方法。

Description

微机械系统以及用于制造微机械系统的方法

技术领域

本发明涉及一种微机械系统以及一种用于制造微机械系统的方法。

背景技术

经常也称为微系统或者MEMS（Micro-Electro-Mechanical- System）的微机械系统尤其由于其微小的尺寸、其较小的价格以及其较高的可靠性而越来越得到推广。这比如涉及将微机械系统用作致动器或者传感器这个方面，所述传感器比如构造为用于检测声发射的传感器、固体声传感器、加速度传感器和斜度传感器、旋转速率传感器或者压力传感器的形式。

在英语语言中称为“Acoustic Emission（AE）”的“声发射”通常是指一种现象，对于该现象来说由于能量的突然释放通过冲击式的激励在固体的内部产生弹性波。相应的以固体声的形式在固体中传播的声发射信号通常在大约20kHz到大约1MHz的频率范围内出现。在此，声发射信号关于固体或者物体的机械损伤具有很高的敏感性。因此将用于检测声发射的微机械的传感器（Acoustic Emission Sensors）尤其用于对机械的构件比如滚动轴承进行磨损监控。相应的传感器通常具有有振动能力的系统，该系统则具有悬挂或者固定在弹簧元件上的激振质量。外部的力或者加速度引起所述激振质量的相对于比如固定的悬挂的形式的固定的锚定点的偏移。对这种相对运动进行分析，其中为获取信号而经常使用电容的原理。在此，所述激振质量具有电极装置，所述电极装置比如可以构造为梳状并且与固定的配对电极一起形成可变的电容。通过对所述电容的数值或其变化的检测，在此可以探测到声发射。

本发明涉及一种具有有振动能力的系统的微机械系统，所述有振动能力的系统具有激振质量以及至少两个弹簧元件，其中所述弹簧元件分别一方面在外面连接到所述激振质量上并且另一方面连接到所述微机械系统的固定的锚定点上，从而能够实现所述激振质量的沿运动方向的振动。在此“沿运动方向”意味着，所述有振动能力的系统刚好具有一个线性的自由度，也就是说在所述微机械系统的运行中只沿一个方向也就是运动方向设置了所述有振动能力的系统的运动。

这样的微机械系统从2003年Springer出版社Ananthasuresh G.K.（Hrsg.）的“Optimal Synthesis Methode for MEMS”中的第297-316页的章节“System-Level Synthesis”中得到公开。

目前出现追求微机械系统的越来越高的固有频率的趋势。这不仅适用于宽带的应用情况，而且也适用于谐振的也就是在谐振中运行的系统。除了已经提到的用于检测声发射的传感器之外，这里作为其它的实例也列举用于高频范围的微机械的滤波器以及混合器。

具有有振动能力的系统的微机械系统经常在谐振频率的范围内运行，也就是说在通过相应的固有频率确定的固有模式的范围内运行。在此，所述频率或者与该频率相关联的振动形式也称为有效模式，所述有振动能力的系统关于其运行构造或者设置用于所述频率或者与该频率相关联的振动形式。对于谐振的运行来说，所述有效模式由此是所述有振动能力的系统的一种固有模式通常是第一固有模式。具有较高的固有频率的振动模式在此会导致不受欢迎的效应，比如叠加的干扰信号或者敏感性的降低。出于这个原因，通常所述有振动能力的系统的有效模式与其它的振动模式尤其其它的固有模式之间的较大的频率间隔即模式分离是值得追求的。

对于比如用于那些用于检测声发射信号的传感器的谐振的微机械系统来说，通常要求所述有振动能力的系统沿运动方向或者有效方向具有较高的刚度。除此以外，为避免从所设置的运动方向中偏离出来的运动，一般追求明显更高的横向于运动方向的刚度。另一方面需要大面积的电极或者电极系统，用于得到所述微机械系统的足够大的敏感性。但是，现在相应的电极导致对微机械系统的动态特性产生影响并且存在着这样的危险，即所述有振动能力的系统的其它固有模式已经在相对于有效模式（其如前面已经提到的一样通常相当于主要模式也就是第一固有模式）的较小的频率间隔中出现。在此，具有相应的较高的振动模式的优先方向不仅可以处于通过所述微机械系统形成的平面内部而且可以离开该平面。最后提到的类型的振动模式尤其在平面结构上出现并且通常称为“膜片模式（Membran-Moden）”或者“平面外模式（Out-of-Plane-Moden）”。

原则上一项用于扩大所述微机械系统的有振动能力的系统的振动模式之间的频率间隔的措施可能在于，扩大所述微机械系统的结构厚度。但是用已知的干蚀工艺不能容易地做到这一点。除此以外，由此只能改进所述有振动能力的系统的“平面外模式”与“平面内模式”的分离。

此外，从前面提到的公开文献“System-Level Synthesis”中知道，通过以下方式来改进有振动能力的系统的固有模式之间的间隔，即降低电极的数目。但是这也具有这样的缺点，即由此通常同时明显地降低所述微机械系统的敏感性。

发明内容

本发明的任务是，说明一种具有有振动能力的系统的微机械系统，所述有振动能力的系统具有激振质量以及至少两个弹簧元件，其中所述弹簧元件分别一方面在外面连接到所述激振质量上并且另一方面连接到所述微机械系统的固定的锚定点上，从而能够实现所述激振质量的沿运动方向的振动，所述有振动能力的系统的有效模式相对于该有振动能力的系统的出现的其它振动模式具有特别大的频率间隔。

该任务按本发明通过一种具有有振动能力的系统的微机械系统得到解决，所述有振动能力的系统具有激振质量以及至少两个弹簧元件，其中所述弹簧元件分别一方面在外面连接到所述激振质量上并且另一方面连接到所述微机械系统的固定的锚定点上，从而能够实现所述激振质量的沿运动方向的振动，其中在所述激振质量的内部区域中设置了至少一个另外的弹簧元件，借助于所述弹簧元件将所述激振质量连接到所述微机械系统的另外的锚定点上。

所述按本发明的微机械系统是有利的，因为所述额外地设置在激振质量的内部区域中的至少一个弹簧元件能够实现所述有振动能力的系统的动态特性的变化，从而比如对所述有振动能力的系统的固有模式之间尤其有效模式也就是例如所述第一固有模式与其它的固有模式之间的频率间隔进行优化。这一方面可以通过以下方式来进行，即完全抑制较高频率的特定的谐振也就是特定的固有模式，或者扩大可用模式的频率和其他出现的固有模式的频率之间的频率间隔。所述按本发明的微机械系统的根本优点在此在于，所述微机械系统的敏感性或者所述微机械系统的有振动能力的系统的敏感性未受到所述优化的影响并且由此保持不变。

按照一种特别有利的改进方案，如此设计所述按本发明的微机械系统，使得所述有振动能力的系统具有处于超声波范围内的谐振频率。这一点是有利的，因为尤其对于具有处于超声波范围内的谐振频率的振动模式或者固有模式来说需要由所述微机械系统在运行中所使用的有效模式同所述微机械系统的其它的振动模式尤其固有模式之间有足够的频率间隔。

原则上所述有振动能力的系统的弹簧元件可以以任意的方式方法构成。按照所述按本发明的微机械系统的另一种特别优选的实施方式，所述弹簧元件构造为杆簧。这提供了这样的优点，即由此在所述弹簧偏移的情况下避免由于所谓的“应力刚化效应（Stress-Stiffening-Effekt）”而出现所述弹簧的刚化情况。除此以外，如此提高横向刚度，从而额外地抑制偏离所设置的运动方向的运动。

优选所述按本发明的微机械系统也可以如此得到改进，使得所述至少一个另外的弹簧元件构造为杆簧。根据前面的解释，将杆簧用作另外的弹簧元件这种做法也如此有利，从而由此在负荷下避免所述另外的弹簧元件的刚化并且提高所述有振动能力的系统的横向刚度。

所述微机械系统可以是设置用于任意的本身已知的应用情况的系统。这比如包括不同类型的致动器。按照另一种特别优选的设计方案，所述按本发明的微机械系统构造为传感器。这一点是有利的，因为微机械的传感器由于其较小的价格及其较高的可靠性而越来越多地用于不同的应用情况。

按照另一种特别优选的实施方式，所述按本发明的微机械系统构造为用于检测声发射信号的传感器。这一点是有利的，因为用于检测声发射（Acoustic Emission）的传感器通常探测处于能够听到的范围之上也就是比如超声波范围内的振动。如前面已经解释的一样，这里特别值得追求为所述微机械系统的运行而使用的有效模式，也就是通常所述第一振动模式或者固有模式，同所述微机械系统的有振动能力的系统的其他振动模式的足够的分离。

此外，本发明涉及一种用于制造具有有振动能力的系统的微机械系统的方法。

关于所述方法，本发明的任务是，说明一种用于制造具有有振动能力的系统的微机械系统的方法，所述有振动能力的系统的有效模式相对于该有振动能力的系统的出现的其它振动模式具有特别大的频率间隔。

该任务按本发明通过一种用于制造具有有振动能力的系统的微机械系统的方法得到解决，所述有振动能力的系统具有激振质量以及至少两个弹簧元件，其中所述弹簧元件分别一方面在外面连接到所述激振质量上并且另一方面连接到所述微机械系统的固定的锚定点上，从而能够实现所述激振质量的沿运动方向的振动，其中对于该方法来说，

-借助于对所述有振动能力的系统的振动模式的分析在所述激振质量的内部区域中确定至少一个部位，在该部位上出现垂直于所述运动方向的振幅，并且

-在所述至少一个部位上设置了另外的弹簧元件，借助于所述另外的弹簧元件来将所述激振质量连接到所述微机械系统的另外的锚定点上。

所述按本发明的方法是有利的，因为其允许制造或者开发一种微机械系统，根据设置在所述激振质量的内部区域中的另外的弹簧元件来如此设计所述微机械系统，从而抑制不受欢迎的振动模式或者使其在其频率方面朝较高的频率移动。在此有利地避免所述微机械系统的敏感性的变差情况。

优选可以如此设计所述按本发明的方法，从而如此对所述有振动能力的系统的总弹簧刚度进行调整，使得为所述微机械系统的运行而设置的有效模式的频率不会因所述至少一个另外的弹簧元件而改变。这一点是有利的，因为由此在所述微机械系统的制造或者设计的范围内有利地避免为所述微机械系统的运行而设置的有效模式也就是通常所述第一固有模式的频率受到影响。

按照所述按本发明的方法的另一种特别优选的实施方式，以迭代方式重复所述方法步骤。这样的迭代的处理方式是有利的，因为它通常允许最佳可能地对所述微机械系统进行优化。在此优选在和继续扩大为所述微机械系统的运行而设置的有效模式与其它振动模式之间的频率间隔一样长的时间里进行迭代。

优选也可以如此设计所述按本发明的方法，从而在使用计算机支持的模拟模型的情况下对所述有振动能力的系统进行分析。这样做是有利的，因为计算机支持的模拟模型的使用允许以特别高效的并且开销少的方式对所述微机械系统进行优化。

原则上，作为模拟模型可以使用不同的结合相应的优化要求在不同的技术领域内熟知的方法。按照所述按本发明的方法的一种特别优选的实施方式，作为模拟模型使用按有限元方法（FEM）的模型。这样做是有利的，因为这里涉及一种在工程学中普遍推广的并且高效的计算机支持的计算方法。

附图说明

下面借助于实施例对本发明进行详细解释。其中附图示出如下：

图1是具有有振动能力的系统的传统的微机械系统的示意性的草图，

图2是所述按本发明的微机械系统的第一种实施例的示意性的草图，

图3是按图1的传统的微机械系统的频谱，

图4是按图2的实施例的按本发明的微机械系统的频谱，

图5是所述按本发明的微机械系统的另一种实施例的示意性的草图，并且

图6是所述按本发明的微机械系统的另外的弹簧元件的实施例。

出于简明原因，在附图中为相同的或者起相同作用的组件使用相同的附图标记。除此以外要说明，在图1、2、5和6中分别示出了相应的结构的俯视图。

具体实施方式

图1中以示意性的草图示出了具有有振动能力的系统的传统的微机械系统。在此示出了具有有振动能力的系统的微机械系统1，所述有振动能力的系统具有一个激振质量2以及四个弹簧元件3。根据图1中的示意图，所述弹簧元件3在此一方面在外面连接到所述激振质量2上。除此以外，所述弹簧元件3另一方面连接到所述微机械系统的固定的锚定点4上。在此如此构造所述有振动能力的系统，从而能够实现所述激振质量2的仅仅沿水平的运动方向B的振动。

除了前面提到的元件之外，所述微机械系统1具有可活动的电极5，该电极5构造为梳状。出于简明原因，在此在图1中仅仅所述可活动的电极的条形元件之一用相应的附图标记来表示。

所述可活动的电极5的条形元件插到作为配对电极起作用的固定的电极6的相应的元件中。比如通过机械振动来激励所述有振动能力的系统，这引起所述微机械系统1的电容的变化，因而可以将所述电容的相应的变化用于探测振动。相应的振动比如可以是在滚动轴承的运行范围内产生的声发射信号，所述声发射信号在固体中作为固体声传播并且借助于所述微机械系统1来检测。

在图1中示出的传统的微机械系统1具有这样的缺点，即所述其它的振动模式或者固有模式已经在较小的相对于主要模式或者第一固有模式的频率间隔中出现。根据相应的情况，在此所述相应的具有较高频率的固有模式的优先方向不仅会在所述结构的平面中，也就是在图1的俯视图中，在相应于页平面或者图纸平面的晶片平面中伸展，而且会离开这个平面。

图2在示意性的草图中示出了所述按本发明的微机械系统的第一种实施例。图2的微机械系统1的其余的组件相应于图1的相应的组件，而按图2的按本发明的微机械系统1有利地在所述激振质量2的内部区域中额外地具有另外的弹簧元件7，借助于所述另外的弹簧元件7将所述激振质量2连接到所述微机械系统1的另外的锚定点8上。这一点是有利的，因为借助于所述另外的弹簧元件7能够有针对性地影响所述微机械系统1或者所述微机械系统1的有振动能力的系统的动态特性。由此有针对性地抑制较高的固有振动形式或者扩大模式分离（Moden-Separation），也就是尤其扩大所述有振动能力的系统的有效模式与其它的固有模式之间的频率间隔。最后所述额外设置的另外的弹簧元件7由此引起所述微机械系统1的有干扰的或者不受欢迎的振动模式的刚化（Versteifung），其中所述微机械系统1的敏感性在此有利地保持不变。在此所述另外的弹簧元件7构造为杆簧，这有利地防止由于所谓的“应力刚化效应”而出现所述另外的弹簧元件7的由偏移引起的刚化。

具体来讲，比如如此制造图2的微机械系统1或者关于其构造如此对其进行设计或者开发，从而根据所述微机械系统的第一设计方案借助于本身已知的计算机支持的模拟模型按照有限元方法（FEM）来进行模态分析。通过所述模态分析来了解所述微机械系统1的较高的振动模式。这样的较高的振动模式经常是离开所述晶片平面的“平面外”运动，而真正的有效模式根据前面的解释代表着所述微机械系统的有振动能力的系统的沿所述运动方向的横向的运动。

借助于对所述有振动能力的系统的振动模式的分析，现在在所述激振质量2的内部区域中确定至少一个部位，在该部位上出现垂直于所述运动方向B的振幅。有利地在此确定所述部位，在该部位上出现最大的相应的垂直的幅度。在考虑到工艺上的可实现性的情况下，在该部位上有针对性地设置至少一个另外的弹簧元件7，借助于该弹簧元件7将所述激振质量2连接到所述微机械系统1的另外的锚定点8上。由此借助于所述另外的弹簧元件7和另外的锚定点8来实现所述激振质量2的另外的支承结构或者另外的悬挂结构。

下面有利地匹配所述微机械系统1的有振动能力的系统的总弹簧刚度，使得其又相当于原始的数值。由此作为结果仅仅抑制所述有振动能力的系统的较高的频率或者固有模式或者使其朝较高的频率移动。但是所述有效模式的频率在此优选保持不变。

前面提到的步骤可以有利地在迭代的范围内一直重复，直到出现最佳状态。在此优选在计算机支持下就是说在软件基础上实现整个所描述的方法。

图3示出了按图1的传统的微机械系统的频谱。更准确地说，所示出的频谱是在运用有限元方法的情况下模拟计算的结果，其中模拟计算以在其构造方面基本上相应于图1的示意图的微机械系统为基础。

在示意图中所述有振动能力的系统的振动的振幅A作为以kHz计的频率f的函数来绘出，在该示意图中可以看出，对于传统的微机械系统来说除了在频率稍许大于100kHz时出现所述第一固有模式SM1之外，还在频率稍许高于150kHz时就已经出现其它的固有模式SM2。所述其它的固有模式SM2是不受欢迎的，因为其可能导致所述微机械系统的功能的干扰或者导致其敏感性的降低。

图4示出了按图2的实施例的按本发明的微机械系统的频谱。更确切地说，与图3相类似所示出的频谱又是在运用有限元方法的情况下模拟计算的结果，其中所述模拟计算以在所述微机械系统的构造方面基本上相应于图2的示意图的微机械系统为基础。

在图4与图3的比较中，在此非常清楚地看出，对于按图2的按本发明的微机械系统1来说在所述激振质量2的内部区域中额外地设置了另外的弹簧元件7，借助于该弹簧元件7来将所述激振质量2连接到所述微机械系统1的另外的锚定点8上，由此明显地改进所述微机械系统1的有振动能力的系统的模式分离。因此所述第一固有模式SM1在其频率方面基本上保持不变。相反，现在所述另外的固有模式SM2有利地只有在大约250kHz之上才出现。由此在这种情况下可以有利地可靠地排除通过所述微机械系统1在所述第一固有模式或者振动模式SM1的范围内通过所述其它的或者第二振动模式SM2引起的测量的干扰。

图5示出了所述按本发明的微机械系统的另一种实施例的示意性的草图。图5的示意图基本上相当于图2的示意图，其中与图2不同的是在所述激振质量2的内部区域中设置了两个另外的弹簧元件7a，借助于所述弹簧元件7a将所述激振质量2连接到所述微机械系统1的另外的锚定点8上。象在图2中一样，所述弹簧元件3以及另外的弹簧元件7a的构造在此能够实现所述激振质量2的沿运动方向B的直线的运动。

在相对于图2的比较中，所述有振动能力的系统的总刚度在按图5的实施方式中明显更大。这不仅缘于设置在所述激振质量2的外侧面上的构造为单个的弹簧条的弹簧元件3，而且缘于所述另外的弹簧元件7a的冲压。除此以外，对于所述另外的弹簧元件7a来说空间位置需求有利地小于图2的另外的弹簧元件7。

一般来说要指出，对于所述弹簧元件3以及另外的弹簧元件7a来说可以实现弹簧的不同形式的组合。在此有利地根据所述有振动能力的系统的相应设置的应用领域或者所期望的有效模式也就是对于微机械系统的运行来说所期望的振动系统的固有频率来进行相应的规定。

图6示出了所述按本发明的微机械系统的另外的弹簧元件的实施例。在此示出了另外的弹簧元件7b、7c、7d、7e，所述另外的弹簧元件7b、7c、7d、7e与相应的另外的锚定点8一起相应地实现所述激振质量2的中心悬挂。

在图6中的左上示意图中示出的实施方式类似于或者相当于图5的实施方式，该实施方式具有这样的优点，即由所述弹簧元件7b构成的弹簧系统具有较高的刚度和较小的空间位置需求。

相对于此，按图6中的右上示意图的实施方式提供这样的优点，即所述另外的构造为杆簧的形式的弹簧元件7c具有较高的刚度并且同时特别明显地致力于沿所述运动方向的直线的运动。这意味着，所述另外的弹簧元件7c特别有效地抑制偏离所述有振动能力的系统的运动方向的振动模式。

相反，在图6的左下示意图中示出的具有两个另外的弹簧元件7d的实施方式尤其具有在所述另外的弹簧元件7d中材料应力较小这样的优点。

在图6的右下示意图中示出的与图2的实施方式相类似的实施方式在某种程度上代表着所述两种前面提到的实施方式的组合。因此通过构造为杆簧的另外的弹簧元件7e的使用尤其又支持所述激振质量2或者所述微机械系统的有振动能力的系统的直线的运动。

根据前面的解释，所述按本发明的微机械系统以及所述按本发明的方法尤其具有这样的优点，即通过所述激振质量的中心悬挂的设置，也就是说通过在所述激振质量的内部区域中额外地设置至少一个另外的弹簧元件，其中借助于所述另外的弹簧元件来将所述激振质量连接到所述微机械系统的另外的锚定点上，这种做法来有针对性地并且极为有效地如此影响所述微机械系统的有振动能力的系统的动态特性，从而扩大或者改进所述有振动能力的系统的在微机械系统的运行中所使用的有效模式与其它振动模式之间的分离程度。

Claims (6)

1.微机械系统（1），其具有有振动能力的系统，所述有振动能力的系统具有激振质量（2）以及至少两个弹簧元件（3），其中所述弹簧元件（3）分别一方面在外面连接到所述激振质量（2）上，并且另一方面连接到所述微机械系统（1）的固定的锚定点（4）上，从而能够实现所述激振质量（2）的沿运动方向（B）的振动，

其特征在于，在所述激振质量（2）的内部区域中设置了至少一个另外的弹簧元件（7、7a、7b、7c、7d、7e），其中在所述激振质量（2）的内部区域中确定至少一个部位，在该部位上出现垂直于所述运动方向（B）的振幅，并且所述至少一个另外的弹簧元件设置在该部位上，从而借助于所述至少一个另外的弹簧元件将所述激振质量（2）连接到所述微机械系统（1）的另外的锚定点（8）上。

2.按权利要求1所述的微机械系统，

其特征在于，所述有振动能力的系统具有处于超声波范围内的谐振频率。

3.按权利要求1或2所述的微机械系统，

其特征在于，所述弹簧元件（3）构造为杆簧。

4.按前述权利要求中任一项所述的微机械系统，

其特征在于，所述至少一个另外的弹簧元件（7、7a、7b、7c、7d、7e）构造为杆簧。

5.按前述权利要求中任一项所述的微机械系统，

其特征在于，所述微机械系统（1）构造为传感器。

6.按权利要求5所述的微机械系统，

其特征在于，所述微机械系统（1）构造为用于检测声发射信号的传感器。