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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement
mit einem Substrat und mit einer mittels wenigstens einem Federelement
gegenüber
dem Substrat beweglich vorgesehenen seismischen Masse, wobei Anschläge zur Bewegungsbegrenzung
der seismischen Masse vorgesehen sind. Ein solches Bauelement ist
allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 17 357 A1 ein
mikromechanisches Bauelement, insbesondere ein Beschleunigungssensor,
bekannt, der ein Substrat mit mindestens einem Federelement und
mindestens einer seismischen Masse aufweist, wobei innerhalb der
seismischen Masse Anschläge
vorgesehen sind, die die Auslenkung der seismischen Masse parallel
zum Substrat beschränken.
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Nachteilig
hieran, ist dass im Falle eines Anschlags der seismischen Masse
im Zeitpunkt des Auftreffens auf den Überlastanschlag die Bewegungsenergie
mehr oder weniger instantan abgebaut werden muss, so dass hohe Kraftspitzen
auftreten und von der mikromechanischen Struktur verarbeitet werden
müssen,
was unter Umständen
zu einer mechanischen Beschädigung
der Struktur oder aber zu einem so genannten Haften der Struktur
(sticking) führen
kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
mit einem Substrat und mit einer mittels wenigstens einem Federelement
gegenüber
dem Substrat beweglich vorgesehenen seismischen Masse gemäß dem Hauptanspruch
hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Struktur durch einen Überlastanschlag
und die Wahrscheinlichkeit des Verklebens der Struktur durch solch
eine Überlast
reduziert wird. Erfindungsgemäß wird ein
federnder Anschlag zur Verringerung der Anschlagenergie bzw. insbesondere
zur Verringerung der zur verarbeitenden Kraftspitzen vorgesehen,
wobei ein solcher federnder Anschlag im wesentlichen ohne oder mit
vernachlässigbaren
Masseverluste in die seismische Masse integrierbar ist. Daher kann
das erfindungsgemäße mikromechanische
Bauelement mit vergleichsweise geringem Aufwand auch in vorhandene
Ausführungen
bzw. Designs von mikromechanischen Bauelementen integriert werden,
da nur minimale Eingriffe in deren Struktur bzw. in das Layout notwendig
sind.
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Erfindungsgemäß ist bevorzugt,
dass das Bauelement ein mit dem Substrat verbundenes weiteres Anschlagelement
zur Bewegungsbegrenzung der seismischen Masse in die Bewegungsrichtung aufweist,
wobei im Falle einer ausreichend großen Bewegung der seismischen
Masse in der Bewegungsrichtung nach der Berührung des Anschlagelements
mit dem Anschlagbereich eine Berührung
des weiteren Anschlagelements mit einem weiteren Anschlagbereich
der seismischen Masse vorgesehen ist, wobei der weitere Anschlagbereich
gegenüber dem
Anschlagbereich härter
federnd oder im wesentlichen nicht federnd vorgesehen ist. Hierdurch
ist bevorzugt ein gestuftes Verhalten im Falle einer Überlast
realisierbar, wobei zunächst
der federnd vorgesehene Anschlagbereich der seismischen Masse und
anschließend
der hart bzw. kaum federnd vorgesehene weitere Anschlagbereich zur
Kraftübertragung
im Falle einer Überlast
eingesetzt wird.
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Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, dass bei fortgesetzter Auslenkung der seismischen Masse in
der Bewegungsrichtung die Berührung
des weiteren Anschlagelements mit dem weiteren Anschlagbereich zwischen
etwa 0 μm
und etwa 10 μm
nach der Berührung
des Anschlagelements mit dem Anschlagbereich vorgesehen ist, bevorzugt
zwischen etwa 0 μm
und etwa 1 μm,
besonders bevorzugt zwischen etwa 0 nm und etwa 200 nm, ganz besonders bevorzugt
zwischen etwa 100 nm und etwa 200 nm. Hierdurch kann die im federnd
vorgesehenen Anschlagbereich gespeicherte Energie der Überlast
mit einfachen Mitteln gezielt eingestellt werden. Das gestufte Vorgehen
im Falle eines Überlastanschlages hat
weiterhin den Vorteil, dass durch die Umwandlung von kinetischer
Anschlagenergie in Federenergie (gespeichert im Anschlagbereich)
zudem bei vollem Anschlag eine zusätzliche Rückstellkraft bzw. Rückstellenergie
bereit gestellt wird, die das Kleben der seismischen Masse im Festanschlag
zu vermeiden hilft. Dies kommt dadurch zu Stande, dass die Anschlagenergie
teilweise in Federenergie umgewandelt wird und die seismische Masse
daher verzögert
auf den festen Anschlag (weiteres Anschlagelement) trifft, was zu
einer verringerten Anschlagenergie an dem weiteren Anschlagelement
führt.
Durch die Vorspannung der Anschlagfeder wird das Kleben am festen
Anschlag verhindert bzw. durch die Federenergie rückgängig gemacht
und die Kontaktfläche im
Klebefall um 50 % reduziert, da die Masse nur noch über den
Anschlagsdämpfer
am fest angebundenen Anschlagblock kleben kann. Die Rückstellkraft der
eigentlichen Sensorfeder bzw. des eigentlichen Federelements zur
Anbindung der seismischen Masse an das Substrat ist nun ausreichend,
um die seismische Masse vollständig
zu lösen.
Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß, wenn der federnd vorgesehene
Anschlagbereich als eine Anschlagfeder vorgesehen ist, insbesondere
eine beidseitig eingespannte Anschlagfeder. Hierdurch kann der federnde Anschlagbereich
mit einfachen Mitteln robust und vergleichsweise kostengünstig hergestellt
werden.
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Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, dass das Bauelement das Anschlagelement, den Anschlagbereich,
das weitere Anschlagelement und den weiteren Anschlagbereich auch
bezüglich
einer Bewegungsbegrenzung der seismischen Masse gemäß einer
weiteren Bewegungsrichtung aufweist bzw. dass die weitere Bewegungsrichtung
anitparallel zur Bewegungsrichtung orientiert ist bzw. dass die Bewegungsrichtung
und/oder die weiteren Bewegungsrichtung parallel zur Hautperstreckungsebene des
Substrats verläuft.
Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine flexible Anschlagsdämpfung für verschiedene
Konfigurationen einer seismischen Masse, insbesondere für unterschiedliche
Beweglichkeiten der seismischen Massen in unterschiedliche Richtungen realisiert
werden. Bevorzugt ist ferner, dass die seismische Masse in einer
Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats wenigstens
eine erste Ausnehmung und eine zweite Ausnehmung aufweist, wobei
die erste Ausnehmung zur Aufnahme des Anschlagelements bezüglich der
Bewegungsrichtung vorgesehen ist und wobei die zweite Ausnehmung
zur Aufnahme des weiteren Anschlagelements bezüglich der Bewegungsrichtung
vorgesehen ist. Hierdurch kann das mikromechanische Bauelement in
einfacher Weise stabil und dennoch mit einer vergleichsweise großen seismischen
Masse hergestellt werden, wobei im Falle von Überlasten die Wahrscheinlichkeit
einer Beschädigung
der mikromechanischen Struktur weitgehend reduziert wird.
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Ausführungsbeispiele
sind in der Zeichnung dargestellt und in den nachfolgenden Figurenbeschreibung
näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelement gemäß den Stand der
Technik,
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2 eine
schematische Draufsicht auf eine Teil eines mikromechanischen Bauelements
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
schematische Draufsicht auf eine vollständigere Darstellung des mikromechanischen Bauelement
gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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4 eine
schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement
in Blickrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
in der Draufsicht ein Teilbereich eines herkömmlichen mikromechanischen
Bauelementes mit einer seismischen Masse 300, einem Substrat 200 und
einem Federelement 210 dargestellt, wobei das Federelement 210 zur
Aufhängung der
seismischen Masse 300 gegenüber dem Substrat 200 vorgesehen
ist. Die seismische Masse 300 weist eine Ausnehmung 320 auf,
in welcher sich eine mit dem Substrat 200 verbundene Anschlagverankerung 220 erstreckt,
die ein Anschlagelement 250 aufweist, welches gegenüber einem
Anschlagbereich 350 der seismischen Masse 300 angeordnet
ist. Im Falle einer Bewegung der seismischen Masse 300 (in der 1 nach
unten) nähern
sich der Anschlagbereich 350 und das Anschlagelement 250 einander
an und treffen im Falle einer ausreichend großen Bewegung der seismischen
Masse 300 aufeinander, wodurch die Bewegung der seismischen
Masse 300 mehr oder weniger abrupt gestoppt wird. Hierbei
treten einerseits vergleichsweise große Kraftspitzen im Auftreffzeitpunkt
auf und weiterhin kann es einer Verklebung (sticking-Effekt) zwischen
dem Anschlagelement 250 und dem Anschlagbereich 35 kommen.
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In 2 ist
eine Draufsicht auf einen Teilbereich eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes 10 dargestellt,
wobei das Bauelement 10 ein Substrat 20 sowie
eine seismische Masse 30 aufweist, wobei die seismischen
Masse 30 über
ein Federelement 21 aufgehängt bzw. mit dem Substrat 20 verbunden
vorgesehen ist. Ferner weist das Bauelement 10 eine erste
Anschlagverankerung 22 auf, die in einer ersten Ausnehmung 32 der
seismischen Masse 30 in die Haupterstreckungsebene der
seismischen Masse 30 hineinragt. Die erste Anschlagverankerung 22 ist
fest bzw. starr mit dem Substrat 20 verbunden und weist
ein Anschlagelement 25 auf, welches gegenüber einem
an der seismischen Masse 30 angeordneten Anschlagbereich 35 vorgesehen ist.
Wenn sich die seismische Masse 30 in eine Bewegungsrichtung 50 (mittels
Pfeil markiert) bewegt, trifft der Anschlagbereich 35 auf
das Anschlagelement 25. Der Anschlagbereich 35 der
seismischen Masse 30 ist nun nicht starr verbunden mit
der seismischen Masse 30 vorgesehen, sondern federnd ausgebildet,
so dass nach dem Auftreffen des Anschlagbereich 35 auf
das Anschlagelement 25 bei einer weiteren Bewegung der
seismischen Masse 30 in die Bewegungsrichtung 50 eine
Umwandlung der kinetischen Energie der seismischen Masse 30 in
Federenergie einer Anschlagfeder 37 stattfindet, wobei dieser
Teil der kinetischen Energie der seismischen Masse 30 nach
einem später
erfolgenden harten Auftreffen der seismischen Masse 30 auf
das Substrat 20 nicht mehr aufgefangen werden muss damit
zu einer Reduzierung von Kraftspitzen im Überlastfall der seismischen
Masse 30, d. h. einer abnormgroßen Auslenkung der seismischen
Masse 30 in die Bewegungsrichtung 50, führt.
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Die
Anschlagfeder 37 ist insbesondere als ein beidseitig eingespannter
Balken innerhalb der seismischen Masse 30 vorgesehen, wobei
zur Realisierung einer solchen Feder Anschlagausnehmungen 38 in
der seismischen Masse vorgesehen sind. Es sind jedoch auch andere
Konfigurationen, wie beispielsweise ein lediglich einseitig eingespannter
Balken oder dergleichen, möglich.
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In 3 ist
eine Draufsicht auf eine etwas vollständigere Darstellung des mikromechanischen Bauelements 10 und
insbesondere der seismischen Masse 30 dargestellt. Hieraus
wird deutlich, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die
seismische Masse 30 neben der ersten Ausnehmung 32 eine
zweite Ausnehmung 33 aufweisen kann, wobei in die erste
Ausnehmung 32 die erste Anschlagverankerung 22 hineinragt
und wobei in die zweite Ausnehmung 33 eine zweite Anschlagverankerung 23 hineinragt,
wobei die Ausnehmung 32, 33 und die Anschlagverankerungen 22, 23 spiegelsymmetrisch
zueinander vorgesehen sind. Hierdurch ist es möglich, dass im Bereich der
ersten Ausnehmung 32 und der ersten Anschlagverankerung 22 das
Anschlagelement 25 und der Anschlagbereich 35 hinsichtlich
einer Bewegung der seismischen Masse 30 in die Bewegungsrichtung 50 (in 3 nach
oben) ausgebildet ist, während
im Bereich der zweiten Ausnehmung 33 und der zweiten Anschlagverankerung 23 ein
weiteres Anschlagelement 26 mit dem Substrat 20 verbunden
vorgesehen ist und ein weiter Anschlagbereich 36 an der
seismischen Masse 30 angebunden vorgesehen ist, wobei nach
einer Berührung
des Anschlagelements 25 mit dem Anschlagbereich 35 bei
weiterer Fortsetzung der Bewegung der seismischen Masse 30 in
die Bewegungsrichtung 50 es zu einem harten Anschlag des
weiteren Anschlagelements 26 mit dem weiteren Anschlagbereich 36 kommt,
der die Bewegung der seismischen Masse 30 endgültig abbremst.
Hierbei ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Berührung
des weiteren Anschlagelements 26 mit dem weiteren Anschlagbereich 36 zwischen
etwa 0 μm
und etwa 10 μm
nach der Berührung
des Anschlagelements 25 mit dem Anschlagbereich 35 vorgesehen
ist, bevorzugt zwischen etwa 0 μm
und etwa 1 μm,
besonders bevorzugt zwischen etwa 0 nm und etwa 200 nm, ganz besonders
bevorzugt zwischen etwa 100 nm und etwa 200 nm.
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Hinsichtlich
einer weiteren Bewegungsrichtung 50' (im Beispiel der 3 antiparallel
zur Bewegungsrichtung 50) ist es weiterhin bevorzugt vorgesehen,
dass das mikromechanische Bauelement 10 ein entsprechendes
Anschlagelement 25',
ein entsprechendes weiteres Anschlagelement 26', einen entsprechenden
Anschlagbereich 35' und
einen entsprechenden weiteren Anschlagbereich 36' aufweist, wobei
die entsprechenden Anschlagbereiche bzw. Anschlagelemente 25', 26', 35', 36' ebenfalls auf
die Bereiche der ersten und zweiten Ausnehmung 32, 33 bzw.
der ersten Anschlagverankerung 22 bzw. der zweiten Anschlagverankerung 23 verteilt
sind.
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In 4 ist
in schematischer Weise eine Querschnittsdarstellung durch das erfindungsgemäße mikromechanische
Bauelement 10 dargestellt, wobei die Zeichenebene senkrecht
auf die Haupterstreckungsebene 20' des Substrats 20 steht.
Erkennbar ist, dass sich die seismische Masse 30 parallel zur
der Haupterstreckungsebene 20' des Substrats 20 erstreckt,
wobei die Anschlagverankerungen 22, 23 sich vom
Substrat 20 her in den Bereich der seismischen Masse 30 hinein,
nämlich
in den Ausnehmungen 32, 33 erstrecken. Schematisch
ist weiterhin in 4 angedeutet, dass das mikromechanische Bauelement 10 von
einer Abdeckung 29 abgedeckt werden kann, die beispielsweise
mit oberflächenmikromechanischen
Verfahrensschritten hergestellt sein kann oder aber aus einem so
genannten Kappenwafer bestehen kann. Hierbei ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass
Anschlagverankerungen 22, 23 auch über die
Abdeckung 29 mit dem Substrat 20 verbunden sein
können.
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Erfindungsgemäß ist das
mikromechanische Bauelement 10 als ein Inertialsensorbauelement
vorgesehen, insbesondere für
einen linearen Beschleunigungssensor und/oder für einen Drehratensensor. Das
Substrat 20, die seismische Masse 30 und die Anschlagbereiche
bzw. Anschlagelemente können hierbei
beispielsweise aus einem Halbleitermaterial hergestellt sein, beispielsweise
aus einem Siliziummaterial.