CN102449488A - 微机械结构 - Google Patents

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Abstract

提出一种微机械结构、尤其是加速度传感器，包括衬底、相对于该衬底可运动的感振质量和至少一个固定地与该衬底连接的锚定元件，其中，感振质量借助锚定元件固定在衬底上并且在感振质量与锚定元件之间设有至少一个弹簧元件，并且锚定元件此外具有至少一个止挡元件用以与感振质量的至少一个配对止挡元件配合作用。

Description

微机械结构
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的微机械结构。
背景技术
这样的微机械结构是普遍公知的。例如由公开文献DE 198 17 357 A1公开一种加速度传感器，它具有衬底、弹簧元件和感振质量。弹簧元件以第一端部连接在衬底上并且以第二端部连接在感振质量上，使得通过加速度传感器的平行于衬底表面的加速度可引起该质量相对于衬底的运动。为弹簧元件设有弹簧止挡，弹簧止挡限制在平行于衬底表面的加速时弹簧元件的变形。弹簧止挡在此必须固定地与衬底连接。类似的加速度传感器由公开文献DE 100 38 761 A1公开，它为了限制感振质量的偏移同样具有止挡，其中，这些止挡在这里构造为弹簧元件的部分。
发明内容
按照并列权利要求的根据本发明的微机械结构相对于现有技术具有优点，即通过止挡元件和配对止挡元件的配合作用有效地限制感振质量相对于衬底的偏移，而对于止挡元件无需自己的衬底连接并且弹簧元件的弹簧特性不受止挡元件影响。通过省去自己的衬底连接和标准元件的可能应用，实现了根据本发明的微机械结构的比现有技术明显结构空间更紧凑且成本更低廉的制造。这通过以下方式实现：止挡元件构造为锚定元件的部分，而互补的配对止挡元件构造为感振质量的部分。锚定元件以有利的方式同时用于将感振质量固定在衬底上以及用于将止挡元件固定在衬底上。弹簧元件用于保证感振质量相对于衬底以及也相对于锚定元件的运动性。感振质量相对于衬底的最大偏移通过止挡元件与配对止挡元件之间的机械接触来限制。通过感振质量与锚定元件之间的呈弹簧元件形式的连接结构，止挡元件和配对止挡元件尤其是位于相同的电势上，从而可靠地排除了止挡元件与配对止挡元件之间的由静电式交互作用引起的力作用和尤其是附着。止挡元件在锚定元件中的集成此外相对于现有技术具有以下优点：实现了止挡元件的结构空间比较紧凑的集成，由此尤其是通过节省晶片面积减小了制造成本。此外简化了微机械结构的制造过程，因为止挡元件不需要自身的衬底锚定结构。相对于现有技术的另一个优点是，止挡元件不设置在弹簧元件的区域中或者不是弹簧元件的部分，因为在这种情况下弹簧特性尤其是在所希望的和不希望的振动模式方面强烈变化并且由此需要新的弹簧几何结构。在根据本发明的微机械结构中，弹簧元件的设计保持不受止挡元件的影响，使得微机械结构能配设已经公知且经验证的弹簧几何结构。锚定元件尤其是不仅包括垂直于衬底直接与衬底连接的区域，而且包括一个在该垂直于衬底直接与衬底连接的区域和弹簧元件之间的连接区域，其中，该连接区域例如浮装地或者掏蚀地构成。
本发明的有利设计方案和扩展构型可由从属权利要求以及参考附图的说明书得出。
根据一种优选扩展构型规定，止挡元件和配对止挡元件沿着和/或垂直于微机械结构的感测方向相对置地设置。因此，微机械结构相对于衬底沿着感测方向的最大偏移以有利的方式被限制。在加速度传感器中，感测方向例如相当于这样的方向，即沿着该方向测量加速度。通过限制最大偏移，尤其是抑制了通过过大的加速力损坏微机械结构，其中，过大的加速力例如可能在固定电极与配对电极之间机械接触之后引起弹簧元件的撕断或者在固定电极与配对电极之间形成机械或静电附着，由此感振质量不能再回到其零位中。变换地或附加地，感振质量垂直于感测方向的最大偏移可借助止挡元件和配对止挡元件实现，止挡元件和配对止挡元件垂直于感测方向相对置地设置，由此例如减小由机械和/或静电的外部力对加速度传感器的作用。
根据另一种优选的扩展构型规定，止挡元件构造为锚定元件的隆起和/或配对止挡元件构造为感振质量的隆起。止挡元件和配对止挡元件有利地以比较简单且结构空间紧凑的方式实现。在一种有利的方式方式中，止挡元件和/或配对止挡元件具有抗附着涂层，抗附着涂层抑制止挡元件和配对止挡元件的彼此附着。
根据另一种优选的扩展构型规定，止挡元件和/或配对止挡元件部分弹性地且优选L形地构成。有利地，由此在即将达到感振质量的最大偏移之前将感振质量的动能转换为变形能量并且由此在达到最大偏移之前对感振质量制动。因此，作用在微机械结构上的机械力在达到最大偏移之时被减小。
根据另一种优选的扩展结构规定，锚定元件设置在微机械结构的中心区域中。以有利方式，由此能够实现微机械结构的结构空间比较紧凑的构造。此外实现微机械结构的相对于对称平面镜像对称的结构，其中，对称平面一方面垂直于衬底平面并且另一方面平行或垂直于感测方向延伸，其中通过这样的镜像对称的构造总体提高微机械结构的测量精度。
根据另一种优选的扩展结构规定，微机械结构具有固定电极用以与感振质量的配对电极配合作用，其中，固定电极和配对电极优选构造为垂直于感测方向相互交错的梳形电极。感测方向在此尤其是平行于衬底平面延伸。在加速度传感器沿着感测方向加速时，感振质量由于惯性力而相对于衬底与加速度逆平行地运动。这导致固定电极与配对电极之间的平行于感测方向的距离变化，由此引起固定电极与配对电极之间的电容量的可测的变化，该变化用作加速度的尺度。
根据本发明的另一个主题是微机械结构、尤其是微机械传感器，包括衬底、相对于衬底可运动的感振质量和至少一个固定地与该衬底连接的锚定元件，其中，感振质量借助锚定元件固定在衬底上并且在感振质量与锚定元件之间设有至少一个弹簧元件，其中，微机械结构具有固定电极用以与感振质量的配对电极配合作用，其中，感振质量具有至少一个另外的止挡元件和至少一个另外的配对止挡元件，并且所述另外的配对止挡元件固定地与固定电极连接。以有利的方式，由此该另外的配对止挡元件固定地与固定电极结构连接，该固定电极结构尤其借助另外的锚定元件固定在衬底上。通过另外的配对止挡元件在固定电极结构上的连接结构，对于该另外的配对止挡元件的固定无需另外的衬底连接结构，从而能够实现与现有技术相比显著更简单的、成本更有利的且结构空间更紧凑的微机械结构的构造。
根据一种有利的扩展方案规定，该另外的止挡元件和/或另外的配对止挡元件优选弹性地且特别优选L形地构成，使得以有利的方式在达到最大偏移之前实现感振质量的更小心的制动。
根据另一种优选的扩展结构规定，另外的配对止挡元件包括固定电极和/或另外的锚定元件，其中，另外的锚定元件优选设置用于将固定电极固定在衬底上，使得配对止挡元件以有利的方式不需要自己的衬底连接结构。
根据另一种优选的扩展结构规定，该另外的止挡元件基本上平行于固定电极和配对电极延伸并且沿着感测方向尤其是设置在至少一个固定电极与另外的锚定元件之间。该另外的配对止挡元件以有利的方式在该情况下自动地由固定电极和/或另外的锚定元件构成，从而不需要另外的结构来实现另外的配对止挡元件。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明书中详细地阐述。在附图中：
图1示出根据现有技术的微机械结构的示意性俯视图，
图2a和2b示出根据本发明第一实施方式的微机械结构的示意性俯视图和示意性细节视图，
图2c示出根据本发明第二实施方式的微机械结构的示意性细节视图，
图3a和3b示出根据本发明第三实施方式的微机械结构的示意性俯视图和示意性细节视图，
图3c示出根据本发明第四实施方式的微机械结构的示意性细节视图，
图4示出根据本发明第五实施方式的微机械结构的示意性俯视图，
图5a和5b示出根据本发明第六实施方式的微机械结构的示意性俯视图和示意性细节视图，
图6a和6b示出根据本发明第七实施方式的微机械结构的示意性俯视图和示意性细节视图。
具体实施方式
在不同的图中，相同的部件始终用相同的附图标记表示并且因此通常也分别仅命名或提到一次。
在图1中示出根据现有技术的、加速度传感器形式的微机械结构1’的示意性俯视图，其中，该微机械结构1’具有一个衬底2和一个与该衬底2通过两个锚定元件4连接的感振质量3。在相应的锚定元件4与感振质量3之间设有弹簧元件5，使得感振质量3沿着平行于衬底平面101的感测方向100相对于衬底2可运动地构成。此外，微机械结构1’具有与衬底2固定连接的固定电极8，固定电极设置用于与感振质量3的互补的配对电极9配合作用。固定电极8通过另外的锚定元件12与衬底2连接。固定电极8和配对电极9构造为相互交错的的梳形电极，其中，梳形电极的指形件在感测方向100上相互重叠并且彼此间隔距离。在加速度传感器沿着感测方向100加速时，感振质量3由于惯性力而相对于衬底2与加速度方向逆平行地运动。这导致固定电极8与配对电极9之间的平行于感测方向100的距离变化，由此引起固定电极8与配对电极9之间的电容量的可测的变化，该变化用作加速度的尺度。为了限制感振质量3相对于衬底2垂直以及平行于感测方向100的偏移，微机械结构100包括两个止挡单元20，这些止挡单元各包括一个附加的锚定元件20’用以锚定在衬底2上并且这些止挡元件分别设置在感振质量3的留空21中。感振质量3的偏移通过在止挡单元20与感振质量3的边缘之间在留空21区域中的机械接触来限制。因此，根据现有技术的微机械结构1为了提供留空21而需要增大的感振质量3并且此外需要两个附加的锚定元件20’。
在图2a中示出根据本发明第一实施方式的微机械结构1的示意性俯视图，该微机械结构基本上与在图1中所示的根据现有技术的微机械结构相当，其中，此外根据本发明第一实施方式的微机械结构1具有两个止挡元件6，这些止挡元件分别构造为两个锚定元件4中的一个的部分。这些止挡元件6构造为相应的锚定元件4中的隆起。这些止挡元件6中的每个在此与感振质量3的互补的配对止挡元件7配合作用，配对止挡元件构造为沿着感测方向100与止挡元件6相对置，从而限制感振质量3相对于衬底2且平行于感测方向100的偏移。因此，配对止挡元件7构造为感振质量3中的互补的隆起。在图2b中示出在图2a中绘出的根据本发明第一实施方式的微机械结构1的放大的局部视图102。在图2c中示出根据本发明第二实施方式的微机械结构1的示意性细节视图，该第二实施方式基本上与在图2b中示出的第一实施方式相同，其中，两个锚定元件4中的每个具有两个止挡元件6，这些止挡元件分别与感振质量3的两个互补的配对止挡元件7配合作用。对于技术人员显而易见的是，本发明意义上的微机械结构1也可变换地以任何其它数量的止挡元件6和配对止挡元件7实现。
在图3a和3b中示出根据本发明第三实施方式的微机械结构1的示意性俯视图和示意性细节视图103，其中，第三实施方式基本上与在图2a和2b中示出的第一实施方式相同，其中，锚定元件4除了具有与配对止挡元件7沿着感测方向100相对置的止挡元件6外还具有附加的止挡元件6’，附加的止挡元件垂直于感测方向100与感振质量3的互补的附加的配对止挡元件7’相对地设置，从而也限制感振质量3相对于衬底2垂直于感测方向100的偏移。在图3c中示出根据本发明第四实施方式的微机械结构1的示意性细节视图103，第四实施方式基本上与在图3b中所示的第三实施方式相同，其中，仅仅止挡元件6、6’和配对止挡元件7、7’的数量不同。
在图4中示出根据本发明第五实施方式的微机械结构1的示意性俯视图，其中，第五实施方式基本上与第一、第二、第三或第四实施方式相同，其中，根据第五实施方式的微机械结构1没有止挡单元20，因为在这种情况下感振质量3相对于衬底2平行和/或垂直于感测方向100的最大偏移通过多个配合作用的止挡和配对止挡元件6、7、6’、7’限制。通过省去止挡单元20，此外也不需要附加的锚定元件20’和留空21，使得微机械结构1在不改变功能性的情况下总体上构造得结构空间明显更加紧凑。
在图5a和5b中示出根据本发明第六实施方式的微机械结构1的示意性俯视图和示意性细节视图104，其中，第六实施方式基本上与在图3c中所示的第四实施方式相当，其中，感振质量3具有两个另外的止挡元件10，这些另外的止挡元件与两个另外的配对止挡元件11配合作用。配对止挡元件11构造为另外的锚定元件12的部分并且尤其包括在另外的锚定元件12上的另外的隆起11’，另外的锚定元件用于将固定电极8固定在衬底2上。另外的止挡元件10包括一个弹性的L形状，该弹性的L形状分别从感振质量3出发垂直于感测方向100且平行于固定和配对电极8、9延伸。在达到最大偏移之前、即尤其是在平行于感测方向100相对置的止挡和配对止挡元件6、7之间形成机械接触之前，感振质量3沿着感测方向100的运动被另外的止挡和配对止挡元件10、11制动。锚定元件4尤其是设置在微机械结构1的中心区域中，其中，在这些锚定元件4的每侧上设有梳形电极结构并且尤其是分别设有恰好一对另外的止挡和配对止挡元件10、11。
在图6a和6b中示出根据本发明第七实施方式的微机械结构1的示意性俯视图和示意性细节视图105，其中，第七实施方式基本上与在图5a和5b中示出的第六实施方式相当，其中，在锚定元件4的每侧上设有两对另外的止挡和配对止挡元件10、11。特别有利地，止挡和配对止挡元件10、11因此相对于一个垂直于衬底平面且沿着相应的另外的锚定元件12在中心延伸的对称平面径向对称地设置，使得在达到最大偏移之前在对感振质量3制动时没有转矩从另外的止挡和配对止挡元件10、11施加到感振质量3上。

Claims (10)

1.微机械结构(1)、尤其是加速度传感器，包括衬底(2)、相对于该衬底(2)可运动的感振质量(3)和至少一个固定地与该衬底(2)连接的锚定元件(4)，其中，所述感振质量(3)借助所述锚定元件(4)固定在所述衬底(2)上并且在所述感振质量(3)与所述锚定元件(4)之间设有至少一个弹簧元件(5)，其特征在于，所述锚定元件(4)具有至少一个止挡元件(6，6’)用以与所述感振质量(3)的至少一个配对止挡元件(7，7’)配合作用。
2.根据权利要求1所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述止挡元件(6，6’)和所述配对止挡元件(7，7’)沿着和/或垂直于所述微机械结构(1)的感测方向(100)相对置地设置。
3.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述止挡元件(6，6’)构造为所述锚定元件(4)的隆起和/或所述配对止挡元件(7，7’)构造为所述感振质量(3)的隆起。
4.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述止挡元件(6，6’)和/或所述配对止挡元件(7，7’)部分弹性地并且优选L形地构成。
5.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述锚定元件(4)设置在所述微机械结构(1)的中心区域中。
6.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述微机械结构(1)具有固定电极(8)用以与所述感振质量(3)的配对电极(9)配合作用，其中，所述固定电极(8)和所述配对电极(9)优选构造为垂直于所述感测方向(100)相互交错的梳形电极。
7.根据以上权利要求中任一项所述的以及尤其是根据权利要求1前序部分所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述微机械结构(1)具有固定电极(8)用以与所述感振质量(3)的配对电极(9)配合作用，其中，所述感振质量(3)具有至少一个另外的止挡元件(10)和至少一个另外的配对止挡元件(11)并且所述另外的配对止挡元件(11)固定地与固定电极(8)连接。
8.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述另外的止挡元件(10)和/或所述另外的配对止挡元件(11)优选弹性地且特别优选L形地构成。
9.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述另外的配对止挡元件(11)包括固定电极(8)和/或另外的锚定元件(12)，其中，所述另外的锚定元件(12)优选设置用于将所述固定电极(8)固定在所述衬底(2)上。
10.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构(1)，其特征在于，所述另外的止挡元件(10)基本上平行于所述固定电极(8)和所述配对电极(9)延伸并且沿着所述感测方向(100)尤其是设置在至少一个固定电极(8)与所述另外的锚定元件(12)之间。
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