DE102004058103B4

DE102004058103B4 - Einrichtung zur Spalteinstellung

Info

Publication number: DE102004058103B4
Application number: DE200410058103
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Bertz; Stefan Dipl.-Ing. Buschnakowski; Detlef Dr.-Ing. Billep; Thomas Prof.Dr.-Ing.habil. Geßner; Danny Dipl.-Ing. Reuter
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: WO2006058516A1; DE102004058103A1

Abstract

Einrichtung zur Spalteinstellung zwischen zwei Elementen einer planaren mikromechanischen Struktur mittels mindestens einer Feder (3), die das eine Element (1, 8, 11, 12) gegen das andere Element (2, 9, 13) zustellt, wobei die Feder (3) an mindestens einer Einspannstelle (6) befestigt ist und über die gesamte Oberfläche ihres Grundmaterials beschichtet ist, woraus eine innere Vorspannung resultiert, die eine Längenänderung der Feder (3) und dadurch eine Änderung der Spaltbreite bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Spalteinstellung zwischen zwei Elementen einer planaren, mikromechanischen Struktur.
Für verschiedene Anwendungen in der Mikrosystemtechnik ist es erforderlich, in Halbleitersubstraten Gräben bzw. Spalte mit einem hohen Aspektverhältnis, d. h. einem großen Quotienten von Grabentiefe zu -breite, zu realisieren. Aus mehreren Patenten sind Lösungen bekannt, mit Weiterentwicklungen einzelner Verfahrensschritte der Halbleitertechnologien, das Aspektverhältnis zu erhöhen, z. B. US 6 136 630 A oder DE 198 52 878 A1 . Aufwandsmäßig und vor allem technologisch werden dabei immer Grenzen erreicht.
In WO 03/043 189 A2 ist ein elektromechanischer Resonator mit einer eingangs genannten mikromechanischen Struktur beschrieben. Ein in der Ebene federnd nachgiebiges Element ist mit seiner Stirnseite gegen ein mit der Ebene verbundenes Element bewegbar. Funktionsbedingt soll das Verhältnis zwischen der Höhe der Elemente und ihrem Abstand zueinander möglichst groß sein. Ätztechnisch wird bei vorgegebener Höhe der Elemente bereits ein bestimmter kleiner Abstand der beiden Elemente erreicht. Um diesen Abstand im Interesse einer größeren Empfindlichkeit weiter zu verringern, wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes das bewegliche Element gegen das feste vorgespannt. Durch einen Anschlag, der ebenfalls fest mit der Ebene verbunden ist, wird ein Mindestabstand gewahrt. Aus der Druckschrift Hirano et al.: „Operation of submicron gap electrostatic comb-drive actuators” in Transducers – San Francisco, 24.–27. Juni 1991, Proceedings of the International Conference an Solid State Sensors and Actuators, S. 873–876, IEEE ist eine Einrichtung zur Spalteinstellung zwischen zwei Elementen einer planaren, mikromechanischen Struktur bekannt, wobei das eine Element gegen das andere Element (feste und bewegliche Elektroden) mittels mindestens einer Feder zugestellt wird, indem eine elektrische Spannung angelegt wird.
Nachteilig ist, dass die zusätzlich angelegte elektrische Spannung zu Wechselwirkungen mit der eigentlichen Bauelementefunktion führen kann. Aus der DE 44 37 260 C1 ist ein mikromechanisches, elektrostatisches Relais bekannt, das einerseits ein Basissubstrat mit einer Basiselektrode und einem Basiskontaktstück und andererseits ein Ankersubstrat mit einer freigeätzten, von Basissubstrat weg gekrümmten Anker-Federzunge mit einer Ankerelektrode und einem Anker-Kontaktstück aufweist. Die Anker-Federzunge trägt mindestens eine Schicht, die gegenüber ihrem Grundmaterial eine mechanische Spannung derart erzeugt, dass die Anker-Federzunge im Ruhezustand durch eine stetige Krümmung vom Basissubstrat weggebogen ist und durch Anlegen einer Steuerungspannung sich wieder anschmiegt. Die Zungenbiegung lässt sich durch eine thermische Oxidation von Silizium erzeugen, wobei SiO₂ entsteht, das einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten als Si aufweist, so dass beim Abkühlen die SiO₂-Schicht gegenüber der Si-Schicht unter Druckspannung steht und im Falle einer freigeätzten Zunge eine homogen gekrümmte Durchbiegung ergibt. Die einseitige Beschichtung von Strukturen in schmalen Gräben (hohes Aspektverhältnis) ist mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Spalteinstellung zwischen zwei Elementen einer planaren, mikromechanischen Struktur zu entwickeln, bei der kein elektrisches Feld notwendig ist, um das bewegliche Element gegen ein anderes Element vorzuspannen, und ohne eine einseitige Beschichtung von Vertikalstrukturen vorauszusetzen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das eine Element gegen das andere Element mittels mindestens einer Feder zugestellt wird, wobei die Feder an mindestens einer Einspannstelle befestigt ist sowie über eine innere Vorspannung verfügt, die aus einer Beschichtung des Grundmaterials der Feder resultiert und in eine Längenänderung zwecks Spalteinstellung freigesetzt wird. Weitere Ausführungsformen der Erfindung zeigen die Unteransprüche 2 bis 11.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erklärt. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Sensor,
2 den Sensor gemäß 1 mit einer Spalteinstellung durch eine Feder,
3 einen Resonator,
4 den Resonator gemäß 3 mit einer Spalteinstellung durch eine Feder,
5 eine Schlitzblende, und
6 die Schlitzblende gemäß 1 mit einer Spalteinstellung durch eine Feder.
In den 1 und 2 ist als eine mikromechanische Struktur ein Sensor mit transversalen Messkapazitäten zwischen den Elementen 1 und 2 dargestellt. Sie hat zwei Ebenen: In der unteren eine Grundplatte (nicht dargestellt) und parallel darüber eine obere Ebene. In dieser befinden sich Elemente 1 und 2, Federn 3, Anschläge 4 und Sensorfedern 5. Die in der oberen Ebene liegenden Teile 1–5 und die Grundplatte sind an Einspannstellen 6 miteinander verbunden, die schematisch kreuzweise schraffiert dargestellt sind. Die gesamte Struktur ist aus Silizium geätzt. Hierzu werden bekanntermaßen, nach dem Herstellen der planaren Strukturen durch Ätzen von Gräben, die Teile der oberen Ebene 1–5 unterätzt.
Die in 1 dargestellte mikromechanische Struktur kann als Beschleunigungssensor verwendet werden. Bei einer Beschleunigung in Richtung der Federn 5 verändern die Elektroden des Elementes 2 ihren Abstand zu den Elektroden des Elementes 1. Die Abstandsänderung wird wie bei anderen Beschleunigungssensoren mittels einer nicht dargestellten elektronischen Schaltung ausgewertet.
Durch die Erfindung kann die Empfindlichkeit dieser Messanordnung wesentlich erhöht werden. Hierzu wird die gemäß 1 geätzte Struktur auf ca. 1000°C erwärmt. Bei dieser Temperatur werden die Silizium-Federn 3 oxidiert, z. B. auf 100 nm Schichtdicke. Infolge der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten (Si = 2,3·10^–6 K^–1 und SiO₂ ca. 0,49·10^–6 K^–1) verbleiben nach dem Abkühlen in den Federn 3 Vorspannungen. Sie dehnen die Federn 3 gegenüber ihrer Ausgangslänge nach dem Ätzen. Durch Unterätzen des Elemtentes 1 wird dieses beweglich. Der Federwinkel vergrößert sich von α (1) auf α* (2). Das Element 1 wird gegen den Anschlag 4 gespannt. Der ursprüngliche Elektrodenabstand d nach dem Ätzen (1) wird auf d* (2) verkürzt. Dadurch steigt die Empfindlichkeit der Messanordnung wesentlich.
Alternativ zur Oxidation kann die Vorspannung der Feder 3 auch dadurch erzeugt werden, dass das Grundmaterial der Feder 3 mit einem Material beschichtet ist, dessen Teilchengefüge in Verbindung mit dem Grundmaterial die Vorspannung ergibt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt in den 3 und 4 die mikromechanische Struktur eines Resonators. Anordnung und Materialpaarung der Federn 3 sind in diesem Beispiel so gewählt, dass sich die Federn 3 nach dem Abkühlen nicht wie im ersten Beispiel verlängern, sondern verkürzen. Hierzu wird bei ca. 400°C mit einem Plasmaverfahren Siliziumnitrid auf das Silizium abgeschieden. Durch die Verkürzung der Federn 3 verringert sich der Neigungswinkel der Federn von α auf α* und der Abstand der Elektroden 8 und 9 von d auf d*. Die Spaltbreite wird verringert.
In den 5 und 6 ist als ein weiteres Ausführungsbeispiel eine Blende mit zwei Schlitzen dargestellt. Die Blende wird aus drei Teilen zusammengesetzt. Zwei Außenteile 11 und 12 stoßen über Anschläge 14 und 15 auf einen mittleren Teil 13. Diese Teile befinden sich in einer parallel über einer Grundplatte liegenden Ebene. Das mittlere Teil 13 ist mittels Einspannstellen 6 direkt mit der Grundplatte verbunden. Die Außenteile 11 und 12 sind über Federn 3 mit der Grundplatte verbunden. Die Herstellung erfolgt wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Nach dem Ätzen liegen die Teile noch nicht aneinander. Die Schlitze sind technologisch bedingt noch relativ breit. Nach dem Erhitzen auf ca. 1000°C, und Oxidieren des Silizium-Grundmaterials der Federn 3 (wie im ersten Beispiel) und anschließendem Abkühlen spannen die Federn 3 die beiden Außenteile 11 und 14 gegen den mittleren Teil 13.
Bezugszeichenliste

1: Element, zustellbar
2: Element
3: Feder
4: Anschlag
5: Sensorfeder
6: Einspannstelle
7: Induktivität
8: Elektrode
9: Elektrode
10: Anschlag
11: Blendenteil
12: Blendenteil
13: Blendenteil
14: Anschlag
15: Anschlag

Claims

Einrichtung zur Spalteinstellung zwischen zwei Elementen einer planaren mikromechanischen Struktur mittels mindestens einer Feder (3), die das eine Element (1, 8, 11, 12) gegen das andere Element (2, 9, 13) zustellt, wobei die Feder (3) an mindestens einer Einspannstelle (6) befestigt ist und über die gesamte Oberfläche ihres Grundmaterials beschichtet ist, woraus eine innere Vorspannung resultiert, die eine Längenänderung der Feder (3) und dadurch eine Änderung der Spaltbreite bewirkt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) stabförmig ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) Bestandteil eines Kniehebelgelenks ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) in der Art eines Doppellenkers unter einem Winkel |α| gegenüber einer Normalen auf die Bewegungsrichtung der Elemente (1 bzw. 2) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenänderung der Feder (3) durch einen Anschlag (4, 10, 14 oder 15) begrenzt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur, die mikromechanische Struktur eines Sensors, eines Resonators oder einer Blende ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial der Feder (3) Silizium ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) mit einem Material beschichtet ist, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient kleiner als der des Grundmaterials ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) mit einem Material beschichtet ist, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient größer als der des Grundmaterials ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) mit Siliziumdioxid beschichtet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) mit Siliziumnitrid beschichtet ist.