DE102006036499A1 - Micromechanical component has movable element, which is held at frame part by spring, where and electrical voltage is build between frame part and movable component with spring - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft mikromechanische Bauelemente, deren Betriebsstabilität gegenüber bekannten Lösungen erhöht ist. Dabei kann es sich um Sensoren oder auch Aktoren handeln, bei denen ein auslenkbares Element in mindestens einer Dimension ausgelenkt werden kann. Dies kann eine translatorische Bewegung, eine Verkippung oder Verschwenkung um eine Rotationsachse sein.The The invention relates to micromechanical components whose operating stability over known solutions elevated is. These may be sensors or actuators, in which deflected a deflectable element in at least one dimension can be. This can be a translatory movement, a tilt or pivot around a rotation axis.
Der Antrieb dieser Bewegung basiert in der Regel auf der Wirkung elektrostatischer Kräfte.Of the Propulsion of this movement is usually based on the effect of electrostatic Forces.
Wesentliche Teile solcher mikromechanischer Bauelemente werden aus einem Substrat durch Strukturierung des Substrates hergestellt. Dabei werden ausgehend von einer Oberfläche Gräben im Substrat ausgebildet, die am fertigen Bauelement durch die gesamte Dicke reichen und durchgehende Gräben bilden können.basics Parts of such micromechanical components are made from a substrate Structuring of the substrate produced. In doing so, starting from a surface Ditches in Substrate formed on the finished component through the entire Thick enough and can form continuous trenches.
Durch eine solche Strukturierung lassen sich auslenkbare Elemente, die mit Federn gehalten sind, ein Rahmenteil und ggf. weitere Elemente, wie z.B. Elektrodenfinger ausbilden.By Such structuring can be deflectable elements that are held with springs, a frame part and possibly other elements, such as. Form electrode fingers.
So
ist in
So
können,
wie bereits angesprochen, Elektrodenfinger an einem auslenkbaren
Element und einem Rahmenteil ausgebildet sein, die alternierend
in einander greifend angeordnet und kammförmig ausgebildet sind. Dadurch
können
die bei der Auslenkung des Elementes wirkenden Kräfte erhöht werden.
Eine solche Ausführung
ist in
Insbesondere der filigrane Aufbau solcher mikromechanischen Bauelemente bereitet aber Probleme, die die Funktionalität beeinträchtigen und es sogar zur Zerstörung von Bauelementen kommen kann.Especially the filigree structure of such micromechanical components prepares but issues that affect functionality and even destroy it Components can come.
Rahmenteil und auslenkbares Element sind für die Auslenkung auf unterschiedliche elektrische Spannungspotentiale gelegt. Sie müssen daher elektrisch voneinander isoliert sein. Bei unsachgemäßen Gebrauch kann es aber dazu kommen, dass die elektrische Spannungsdifferenz zu groß gewählt wird und sich dadurch Bereiche oder Teile mit unterschiedlichem elektrischen Spannungspotential in berührenden Kontakt treten, was zu elektrischem Kurzschluss mit den bekannten nachteiligen Folgen führt.frame part and deflectable element are for the deflection to different electrical voltage potentials placed. You need to therefore be electrically isolated from each other. In case of improper use But it can happen that the electrical voltage difference is too big and thereby areas or parts with different electrical Voltage potential in touching Contact what to electrical short circuit with the known ones adverse consequences.
Eine solche Berührung kann auch mechanisch bedingt auftreten, indem auf ein mikromechanisches Bauelement hohe mechanische Beschleunigungen wirken.A such touch can also occur mechanically due to a micromechanical Component act high mechanical accelerations.
Dadurch können auch im ausgeschalteten Zustand Zerstörungen oder Beschädigungen an Teilen, wie insbesondere Elektrodenfingern hervorgerufen werden.Thereby can even in the off state destruction or damage on parts, such as in particular electrode fingers are caused.
Teile von mikromechanischen Bauelementen können aber auch aneinander Haften, was auch als „sticking" bezeichnet wird. Infolgedessen können ebenfalls elektrische Kurzschlüsse auftreten.parts However, micromechanical components can also adhere to one another, what is also called "sticking". As a result, can also electrical short circuits occur.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung mikromechanische Bauelemente zur Verfügung zu stellen, die eine erhöhte Betriebsstabilität, insbesondere bei erhöhten elektrischen Spannungen und anderen externen Störungen, erreichen.It is therefore an object of the invention micromechanical components for disposal to put, which increased one Operational stability, especially at elevated electrical voltages and other external disturbances.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem mikromechanischen Bauelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.According to the invention this Task with a micromechanical device that features of claim 1, solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.advantageous Embodiments and developments of the invention can with in the subordinate claims designated characteristics can be achieved.
Ausgehend von den bekannten mikromechanischen Bauelementen ist ein auslenkbares Element mittels mindestens einer Feder an einem Rahmenteil gehalten. Die Feder kann je nach Anwendungsfall, ein Biegebalken oder eine Torsionsfeder sein.outgoing Of the known micromechanical components is a deflectable Element held by at least one spring to a frame part. The spring can, depending on the application, a bending beam or a Be torsion spring.
Häufiger werden jedoch mindestens zwei solcher Federn, die auf einer gemeinsamen Achse und sich gegenüberliegend am auslenkbaren Element angeordnet sind, eingesetzt.Become more frequent However, at least two such feathers on a common Axis and opposite each other are arranged on the deflectable element used.
Das Rahmenteil eines Bauelementes ist dabei gegenüber weiteren Teilen elektrisch isoliert, so dass am Rahmenteil ein elektrisches Spannungspotential und zumindest auch am auslenkbaren Element ein davon abweichendes elektrisches Spannungspotential angeschlossen werden kann.The Frame part of a component is compared to other parts electrically isolated, so that the frame part an electrical voltage potential and at least on the deflectable element of a deviating electrical voltage potential can be connected.
So
kann infolge wirkender elektrostatischer Kräfte, auch wie in
Die einzelnen Teile können infolge einer Strukturierung mittels Gräben, die über die gesamte Dicke geführt sind ausgebildet und so ihre jeweilige Funktionalität erreicht werden.The individual parts can due to a structuring by means of trenches, which are guided over the entire thickness trained and their respective functionality can be achieved.
Dies ergibt eine mechanische Trennung und auch eine elektrische Isolation der mit den unterschiedlichen elektrischen Spannungspotentialen beaufschlagten Teile.This gives a mechanical separation and also an electrical insulation the one with the different electrical voltage potentials acted upon parts.
Die elektrische Isolation kann bereichsweise auch noch zusätzlich mittels einer Isolation erreicht werden. Dabei sind Gräben zumindest teil- oder bereichsweise mit einem elektrisch isolierenden Stoff gefüllt.The electrical insulation can be regionally also be achieved by means of insulation. In this case, trenches are at least partially or partially filled with an electrically insulating material.
Erfindungsgemäß sind aber in einer bevorzugten Ausführung Wegbegrenzungselemente zwischen Bereichen, die auf gleichem elektrischen Spannungspotential liegen, ausgebildet. Diese Wegbegrenzungselemente verhindern eine Bewegung des auslenkbaren Elementes, die zu einem unerwünschten unmittelbaren Kontakt von Teilen/Bereichen des Bauelementes mit voneinander abweichender elektrischer Spannung führen oder durch infolge höherer Beschleunigung wirkender Kräfte mecha nische Zerstörungen hervorrufen könnten.But according to the invention are in a preferred embodiment Path limiting elements between areas that are at the same electrical voltage potential lie, educated. These Wegbegrenzungselemente prevent one Movement of the deflectable element, which is an undesirable direct contact of parts / areas of the device with lead divergent electrical voltage or due to higher acceleration acting forces mechanical destruction could cause.
Wegbegrenzungselemente sollten so gestaltet, angeordnet und dimensioniert sein, dass bei ggf. auftretendem Kontakt ein Verschweißen von Kontaktflächen vermieden werden kann. Dabei sollte bei einem berührenden Kontakt an Wegbegrenzungselementen, der verbleibende Abstand an anderen Flächen (von z.B. Elektrodenfingern, auslenkbarem Element) so groß bleiben, dass auch kein elektrischer Überschlag auftreten kann.Wegbegrenzungselemente should be designed, arranged and dimensioned at that possibly occurring contact welding of contact surfaces avoided can be. In the case of touching contact with travel limiting elements, the remaining distance on other surfaces (e.g., electrode fingers, deflectable element) stay so big that also no electric flashover can occur.
Es besteht aber auch die Möglichkeit Wegbegrenzungselemente an Bereichen vorzusehen, die auf unterschiedlichem elektrischem Spannungspotential liegen. Dann sollte jedoch lediglich ein vernachlässigbarer elektrischer Stromfluss auftreten, der keine Schäden am Bauelement hervorrufen kann, wenn sich die jeweiligen Bereiche soweit angenähert haben, dass ein berührender Kontakt aufgetreten ist. Der elektrische Stromfluss über einen solchen Kontakt kann durch eine hochohmige elektrische Verbindung so begrenzt werden, dass durch einen ggf. auftretenden elektrischen Stromfluss keine Materialdegradation und insbesondere kein Verschweißen der sich berührenden Teile auftreten kann. Um einen hohen elektrischen Widerstand zu erreichen, können solche Bereiche mit einem niedrig dotierten Stoff gebildet werden. Dies kann ein Teil am Rahmen sein. Es kann aber auch eine geeignete Schicht, z.B. aus Polysilicium oder undotiertem Silicium in strukturierter Form ausgebildet werden.It But there is also the possibility Provide Wegbegrenzungselemente to areas that on different are electrical voltage potential. Then only should a negligible one electrical current flow occur that can not cause damage to the device, when the respective areas have come close to being a touching one Contact has occurred. The electric current flow over one such contact can be made by a high-impedance electrical connection be limited so that by a possibly occurring electrical Current flow no material degradation and in particular no welding of the touching oneself Parts can occur. To achieve a high electrical resistance, can such areas are formed with a low-doped substance. This can be part of the frame. But it can also be a suitable layer, e.g. of polysilicon or undoped silicon in structured Form to be formed.
Für eine hochohmige Verbindung können die jeweiligen Kontaktflächen, die sich aus den Seitenwänden der sich gegenüberliegenden Wänden ergeben, lokal mit einer dünnen, schlecht oder elektrisch nicht leitenden Schicht, aus einem elektrisch nicht leitenden oder einem Stoff mit sehr hohem elektrischen Widerstand (z.B. Siliciumoxid oder Siliciumnitrid) belegt werden.For a high-impedance Can connect the respective contact surfaces, arising from the side walls the opposite one walls revealed, locally with a thin, bad or electrically non-conductive layer, from an electrical non-conductive or a substance with very high electrical resistance (e.g., silicon oxide or silicon nitride).
Die Wegbegrenzungselemente können bevorzugt mit Gräben, die ein kleineres Spaltmaß aufweisen, als andere Gräben, die zwischen auslenkbarem Element und Rahmenteil ausgebildet sind. Diese Gräben können also schmaler sein, als andere Gräben. Bei einer unzulässigen Bewegung können so lediglich Teile eines Bauelementes aneinander stoßen, die auf gleichem elektrischen Spannungspotential liegen und mechanisch in der Regel auch stabiler sind.The Wegbegrenzungselemente can preferably with trenches, which have a smaller gap, as other trenches, which are formed between deflectable element and frame part. These trenches can so narrower than other trenches. In case of an impermissible movement can so only parts of a component abut each other, the be at the same electrical potential and mechanical usually also more stable.
Dabei kann die Anordnung und Ausrichtung solcher Gräben für Wegbegrenzungselemente so gewählt werden, dass eine Begrenzung von Bewegungen in einer oder auch mehreren Achsrichtungen möglich ist.there can the arrangement and orientation of such trenches for Wegbegrenzungselemente so chosen be that limiting of movements in one or more Axial directions possible is.
So können Gräben, mit denen Wegbegrenzungselemente gebildet sind, in einer Achsrichtung rechtwinklig zu einer Richtung in der die Wegbegrenzung erreicht werden soll, ausgerichtet sein. Mehrere solcher Gräben können auch zueinander in rechtem Winkel oder in einem schräg geneigten Winkel in Bezug zur Längsachse von Federn ausgerichtet sein. Mit den beiden letztgenannten Alternativen kann eine Wegbegrenzung in mehreren Achsrichtungen realisiert werden Auch bei Ausführungen von mikromechanischen Bauelementen mit Elektrodenfingern kann die Erfindung eingesetzt werden. Dabei sollten die Gräben im Bereich in dem Elektrodenfinger am auslenkbaren Element und Rahmenteil vorhanden sind ebenfalls ein größeres Spaltmaß aufweisen.So can ditches, with which Wegbegrenzungselemente are formed, perpendicular in an axial direction to a direction in which the limit is to be reached, be aligned. Several such trenches can also be at right angles to each other or at an angle inclined angle with respect to the longitudinal axis be aligned by springs. With the latter two alternatives a travel limit can be realized in several axis directions Also with versions of micromechanical components with electrode fingers, the Invention can be used. The ditches should be in the area in the electrode finger on the deflectable element and frame part are present also have a greater gap.
In diesem Bereich kann aber auch ein elektrisch isolierter Zusatzanker, bevorzugt am Rahmenteil angeordnet sein. Dieser kann mit einem dann am auslenkbaren Element ausgebildeten Anschlag ein Wegbegrenzungselement bilden. Auch hier sollte ein kleineres Spaltmaß zwischen Zusatzanker und Anschlag zumindest in einer Achsrichtung eingehalten sein, als dies bei anderen Gräben der Fall ist. So kann verhindert werden, dass Elektrodenfinger von auslenkbarem Element und Rahmenteil aneinander stoßen.In but this area can also be an electrically insulated additional anchor, preferably be arranged on the frame part. This one can with one then formed on the deflectable element stop a Wegbegrenzungselement form. Again, a smaller gap between additional anchor and Stop be met at least in one axial direction, as this at other trenches the case is. Thus, electrode fingers can be prevented from deflecting Element and frame part abut each other.
Gräben, mit denen Wegbegrenzungselemente gebildet sind, können auch in mehreren Achsen angeordnet sein, deren Abstand von Längsachsen einer oder mehrerer Federn unterschiedlich ist. Dabei kann das Spaltmaß dieser Gräben mit ansteigendem Abstand von Längsachsen vergrößert sein, als bei näher daran angeordneten solcher Gräben.Ditches, with which Wegbegrenzungselemente are formed, can also in several axes be arranged, whose distance from longitudinal axes of one or more Springs is different. In this case, the gap of this trenches with increasing distance from longitudinal axes be enlarged, as closer arranged on such trenches.
Diese Spaltmaßverkleinerung kann schrittweise gewählt sein.These Spaltmaßverkleinerung can be chosen gradually be.
Gräben von Wegbegrenzungselementen können aber auch so ausgebildet sein, dass ihr Spaltmaß lediglich dann ausreichend klein ist, wenn das jeweilige auslenkbare Element bei einer unerwünschten Bewegung einen bestimmten Weg zurück gelegt hat oder eine Verkippung um einen bestimmten Winkel in Bezug zur Bauelementebene aufgetreten ist.Trenches of Wegbegrenzungselementen can also be designed so that their gap size is only sufficiently small if the respective deflectable element has set back a certain path in an unwanted movement or aufgetre a tilt by a certain angle with respect to the component level th is.
Ähnlich kann dies auch bei verschiedenen unerwünschten Bewegungen/Auslenkungszuständen des auslenkbaren Elementes mit dann die jeweilige Bewegung/Auslenkung berücksichtigender Wirkung von einzelnen oder auch mehreren diese berücksichtigende Gräben für die Wegbegrenzung wirksam sind. So können solche Gräben nur dann ein kleineres Spaltmaß aufweisen, wenn ein solcher Zustand eingetreten ist, als andere Gräben des Bauelementes.Similarly this also with different unwanted movements / deflection states of the deflectable element with then the respective movement / deflection consider Direction Effect of one or more of these trenches for the Path limitation are effective. So can such trenches only have a smaller gap, if such a condition has occurred, than other trenches of the Component.
Konkreter
soll hierzu noch bei Beschreibung eines Ausführungsbeispiels nach
Mit den durch Strukturierung eines Substrates ausgebildeten Gräben kann auch ein Anker an einer Feder ausgebildet sein, in den diese in Richtung Rahmenteil mündet und der quasi eine Lagerung/Einspannung einer Feder bildet. Ein solcher Anker ist dann gegenüber dem Rahmenteil elektrisch isoliert, wie dies vorab schon angesprochen worden ist.With the trenches formed by structuring a substrate can Also, an anchor may be formed on a spring, in which this in Towards the frame part and the quasi forms a storage / clamping of a spring. One such anchor is then opposite the frame part electrically isolated, as previously mentioned has been.
Da dieser Anker über die Feder mit dem auslenkbaren Element verbunden ist, kann auch dort das gleiche elektrische Spannungspotential anliegen.There this anchor over the spring is connected to the deflectable element, too there apply the same electrical potential.
Dies ist bei einem Zusatzanker, wenn er am Rahmenteil angeordnet ist, nicht ohne weiteres gegeben. Er kann aber über einen zusätzlichen Kontakt an das gleiche elektrische Spannungspotential angeschlossen sein, wie das auslenkbare Element, so dass elektrische Kurzschlüsse vermieden werden können.This is at an additional anchor when it is arranged on the frame part, not readily given. He can but over an additional Contact connected to the same electrical voltage potential be like the deflectable element, so that electrical short circuits are avoided can be.
Mit Gräben, die in einem Abstand zur Längsachse und mit von dieser abweichender Ausrichtung können Anschläge ausgebildet sein, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen, wenn ihre Wegbegrenzungsfunktion erforderlich ist.With ditches, at a distance to the longitudinal axis and with deviating from this orientation stops can be formed, which have sufficient strength when their Wegbegrenzungsfunktion is required.
Bevorzugt sollten die mikromechanischen Bauelemente zumindest annähernd symmetrisch in Bezug zur Längs achse von Federn ausgebildet sein.Prefers the micromechanical components should be at least approximately symmetrical in relation to the longitudinal axis be formed by springs.
Für mikromechanische Bauelemente können Substrate eingesetzt werden, die elektrisch nicht leitend sind und mittels Dotierung oder Beschichtung mit einem elektrisch leitenden Stoff bereichsweise elektrisch leitend sind. Es können aber auch elektrisch leitende Substrate für die Herstellung von Bauelementen eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise Silicium sein.For micromechanical Components can be substrates are used, which are electrically non-conductive and by means of Doping or coating with an electrically conductive substance partially electrically conductive. But it can also be electrically conductive Substrates for the manufacture of components are used. This can be, for example Be silicon.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail with reference to examples.
Dabei zeigen:there demonstrate:
Bei
der in
Das
auslenkbare Element
Ein
Graben kann mit einer Oxidschicht gefüllt werden. Dabei sollte dieser
Graben nicht durch die gesamte Dicke geführt und als eine nutenförmige Vertiefung
angeordnet sein. Das Oxid füllt
diesen insoweit aus, dass keine elektrisch leitende Verbindung zwischen
auslenkbarem Element
In
nicht dargestellter Form sind auslenkbares Element
Durch
einen mäanderförmig ausgebildeten Graben
Bei
totaler Symmetrie und unter Vernachlässigung sämtlicher externer Kräfte und
thermisch motivierten Bewegungen (Brownsche Molekularbewegung) eines
Bauelementes kann theoretisch die elektrische Spannungsdifferenz
beliebig groß sein,
ohne dass eine resultierende elektrostatische Kraft die Elektrodenfinger
Infolge
von Adhäsionskräften können Elektrodenfinger
Diese
nachteiligen Wirkungen können
aber auch durch andere Kräfte
hervorgerufen werden. Durch entsprechende Beschleunigung des Bauelementes
bei Stoß oder
anderer ruckartiger Bewegung können
die daraus resultierenden Kräfte
ebenfalls die Federkräfte übersteigen
und dies zu einer Bewegung oder Auslenkung des auslenkbaren Elements
Dies ist aber mit der Erfindung erreichbar.This but is achievable with the invention.
So
zeigt
Es
wird deutlich, dass neben den Gräben
Solche
ein Wegbegrenzungselement bildenden Gräben
Die
Ausbildung der Gräben
Die
Dimensionierung des Anschlags
Im
Falle, dass zur Strukturierung ein an sich bekannter Siliciumtiefenätzprozess
von einer Oberfläche
ausgehend eingesetzt wird und dabei offene Gräben ausgebildet werden, deren
Breite und ein Spaltmaß sich
nur geringfügig
voneinander unterscheiden, kann die Ausdehnung eines auslenkbaren Elements
Dem
kann mit einer Ausführung
der Erfindung gemäß dem in
Dabei
ist mindestens ein Anschlag
Wird
das auslenkbare Element
Die
Teile und Finger von Anschlag
So können die bereits mehrfach erwähnten Nachteile vermieden werden.So can the disadvantages already mentioned several times be avoided.
In
einigen Fällen
kann allein eine Wegbegrenzung mit solchen Anschlägen
Das
in
So
wirkt bei einer extern wirkenden Beschleunigung mit einem Vektor
senkrecht zu den Federn
Oszilliert
dagegen das auslenkbare Element
Die jeweilige Ausbildung von Gräben für Wegbegrenzungselemente mit ihren gewählten Spaltmaßen unter Berücksichtigung ihrer Anordnung am Bauelement kann für die Applikation, also die Verwendung mit Funktionalität des Bauelementes angepasst werden.The respective formation of trenches for path limiting elements with their chosen gaps below consideration their arrangement on the component can for the application, so the Use with functionality be adapted to the component.
Gräben um Federn sollten immer breiter, als Gräben an Wegbegrenzungselementen sein. Die dünnen und fragilen Federn werden dann bei wirkenden Beschleunigungen (z.B. bei Schock oder intern elektrostatisch) keiner Stoßbelastung ausgesetzt, da kein mechanischer Kontakt auftreten kann. So kann die mechanische Zuverlässigkeit erhöht werden.Ditches around feathers should always be wider than trenches be at Wegbegrenzungselementen. The thin and fragile feathers become then with acting accelerations (e.g., shock or internally electrostatic) no impact load exposed, since no mechanical contact can occur. So can the mechanical reliability elevated become.
Die Spaltbreite sollte auch berücksichtigen, dass dies auch bei einer Verdrillung von Federn gesichert ist, da Federquerschnitte prismatisch und so an einigen Stellen lateral breiter sein können.The Slit width should also take into account that this is ensured even with a twist of springs, as spring cross sections prismatic and thus laterally wider in some places.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120201 |