-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Solche
mikromechanischen Strukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise
ist aus der Druckschrift
US 5
025 346 ein mikromechanisches Bauelement bekannt, welches
ein Trägersubstrat und eine seismische Masse aufweist,
wobei die seismische Masse erste Elektroden und das Trägersubstrat zweite
Elektroden umfassen und wobei die seismische Masse in einer Hauptbewegungsrichtung
gegenüber dem Trägersubstrat beweglich ist. Die
ersten und die zweiten Elektroden überlappen sich in einer
zur Hauptbewegungsrichtung senkrechten Richtung in einer Haupterstreckungsebene
des Trägersubstrats. Eine Bewegung der seismischen Masse bewirkt
eine Veränderung der Überlappungsfläche, während
der durchschnittliche Abstand entlang des Überlappungsbereichs
zwischen den ersten und den zweiten Elektroden stets konstant bleibt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
erfindungsgemäßen mikromechanischen Strukturen
und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb
einer mikromechanischen Struktur gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik
den Vorteil, dass der benötigte Bauraum für die
mikromechanische Struktur deutlich reduziert wird. Dies ermöglicht
in vorteilhafter Weise eine erheblich kostengünstigere
Herstellung und eine vergleichsweise einfache Implementierung der
mikromechanischen Struktur. Die Einsparung des benötigten
Bauraum wird dadurch er zielt, dass die erste Fingerelektrode im
Gegensatz zum Stand der Technik nicht ”neben” der
zweiten Fingerelektrode (d. h. parallel zur Haupterstreckungsebene
nebeneinander), sondern ”unterhalb” der zweiten
Fingerelektrode (d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene zwischen
dem Substrat und den zweiten Fingerelektroden) angeordnet ist. Für
die zweite Fingerelektrode wird dadurch parallel zur Haupterstreckungsebene
keine zusätzliche Waferfläche benötigt.
Eine Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat führt
dabei zu einer Veränderung einer Überdeckung zwischen
der ersten und der zweiten Fingerelektrode senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung.
Die erste und zweite Fingerelektrode fungieren zusammen insbesondere
als Plattenkondensator, so dass sich durch eine Veränderung
der Überdeckung die elektrische Kapazität zwischen
der ersten und der zweiten Fingerelektroden ändert (Änderung
der Plattenkondensatorfläche). Die erste und die zweite
Fingerelektrode sind somit als Antrieb für die seismische
Masse einsetzbar, wobei durch eine Spannungsänderung zwischen
der ersten und der zweiten Fingerelektroden eine Bewegung der seismischen
Masse induziert wird. Alternativ sind die erste und zweite Fingerelektrode
aber auch als Messmittel zur Detektion einer Bewegung der seismischen
Massen einsetzbar, wobei in diesem Fall die durch die Bewegung der
seismischen Masse veränderte elektrische Kapazität
zwischen der ersten und der zweiten Fingerelektrode ausgewertet
wird. Besonders vorteilhaft tritt dabei im Vergleich zum Stand der Technik
keine Quetschfilmdämpfung auf. Ferner ist eine Erzeugung
von senkrecht zur Haupterstreckungsebene wirkenden Kompensationskräften durch
die erste Fingerelektrode möglich, so dass unerwünschte
Levitationsbewegungen der seismischen Masse, welche die Detektionspräzision
beeinträchtigen, zumindest teilweise kompensiert werden.
Die erste und die zweite Fingerelektrode sind insbesondere parallel
zueinander ausgerichtet, wobei die seismische Masse vorzugsweise
eine Hauptbewegungsrichtung aufweist, welche parallel zur Haupterstreckungsebene
ausgerichtet ist und vorzugsweise parallel oder senkrecht zur ersten
und zweiten Fingerelektrode ausgerichtet ist. Das Substrat umfasst
bevorzugt Silizium, die seismische Masse epitaktisches Silizium
und die ersten Fingerelektroden Polysilizium und/oder Metall.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat dritte
Fingerelektroden und die seismische Masse vierte Fingerelektroden
aufweist, wobei die dritten und die vierten Fingerelektroden als
ineinandergreifende Kammelektroden ausgebildet sind, wobei die dritten
Fingerelektroden vorzugsweise mit den ersten Fingerelektroden elektrisch
leitfähig verbunden sind. In vorteilhafter Weise wird somit
die Empfindlichkeit bei der Detektion einer Bewegung der seismischen
Masse und/oder beim Antrieb der seismischen Masse relativ zum Substrat
um ein Vielfaches erhöht. Dies wird dadurch erreicht, dass
eine Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat (in einer
Hauptbewegungsrichtung parallel zu den ersten, zweiten und dritten Fingerelektroden)
gleichzeitig zu einer Änderung einer weiteren Überdeckung
zwischen den dritten und den vierten Fingerelektroden senkrecht
zur Hauptbewegungsrichtung und parallel zur Haupterstreckungsebene
führt und darüberhinaus eine Veränderung
der Überdeckung zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden
senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung bewirkt. Die Bewegung erzeugt
somit eine Änderung der elektrischen Kapazität
sowohl zwischen den ersten und zweiten Fingerelektroden, als auch
zwischen den dritten und vierten Fingerelektroden. Besonders vorteilhaft
wird daher ein effizienterer Antrieb der Bewegung und/oder eine
genauere Detektion der Bewegung ermöglicht, ohne dass im Vergleich
zum Stand der Technik zusätzliche Waferfläche
benötigt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund
der höheren Effizienz des Antriebs die Antriebsspannung
bei gleichbleibender Antriebsleistung reduzierbar ist, so dass beispielsweise
eine einfachere Verschaltung und/oder kleiner Ladungspumpen auf
dem Substrat ermöglicht werden. Die zweiten und die vierten
Fingerstrukturen an der seismischen Masse, als auch die bezüglich
der seismischen Masse feststehenden ersten und die dritten Fingerstrukturen sind
vorzugsweise jeweils im rechten Winkel zueinander ausgerichtet.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikromechanische
Struktur mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat
und einer relativ zum Substrat beweglichen seismischen Masse, wobei
das Substrat dritte Fingerelektroden und die seismische Masse vierte
Fingerelektroden aufweist, wobei die dritten und die vierten Fingerelektroden
als ineinandergreifende Kammelektroden ausgebildet sind, wobei das
Substrat ferner eine einzige erste Fingerelektrode und die seismische
Masse eine einzige zweite Fingerelektrode aufweist und wobei die
zweite Fingerelektrode im Wesentlichen entlang einer zur Haupterstreckungsebene
senkrechten Lotrichtung zumindest teilweise zwischen der ersten
Fingerelektrode und dem Substrat angeordnet ist. Besonders bevorzugt
umfasst die Sensoranordnung einen Standardkammantrieb aus den dritten
und vierten Fingerelektroden, wobei die Effizienz des Bewegungsantriebs
und/oder die Effizienz der Bewegungsdetektion durch die zusätzliche erste
und zweite Fingerelektrode erhöht wird, ohne dass dafür
zusätzliche Waferfläche benötigt wird.
Die erste und die zweite Fingerelektrode umfassen jeweils nur eine
einzige Elektrode, so dass die Herstellung der ersten und zweiten
Fingerelektrode vergleichsweise einfach und kostengünstig
ist und keinerlei komplexe Strukturierung erfordert. Die erste Fingerelektrode
ist insbesondere als Flächenelektrode in Form einer Leiterbahnfläche
auf dem Substrat ausgebildet, während die zweite Fingerelektrode
die Unterseite, d. h. die dem Substrat zugewandten Seite der seismischen
Masse umfasst.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Überdeckung
einer ersten Fingerelektrode durch eine Projektion einer zweiten
Fingerelektrode entlang der Lotrichtung vorgesehen ist, wobei eine Änderung
der Überdeckung in Abhängigkeit einer Bewegung
der seismischen Masse relativ zum Substrat vorgesehen ist, so dass durch
eine Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat eine Änderung
der Kondensatorfläche zwischen den ersten und den zweiten
Fingerelektroden erzeugt wird. In vorteilhafter Weise wird dadurch eine
Bewegung der seismischen Masse in der Hauptbewegungsrichtung durch
eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen
den ersten und zweiten Fingerelektroden messbar ist und/oder wird
durch eine Änderung der elektrischen Spannung zwischen den
ersten und den zweiten Fingerelektroden eine Bewegung der seismischen
Masse in Hauptbewegungsrichtung in Abhängigkeit der sich
verändernden elektrischen Kapazität zwischen den
ersten und zweiten Fingerelektroden induziert.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die ersten
Fingerelektroden sowohl erste Elektroden, als auch zweite Elektroden
umfassen, wobei entlang der Hauptbewegungsrichtung die ersten Elektroden
und die zweiten Elektroden vorzugsweise alternierend angeordnet sind,
wobei vorzugsweise die ersten Elektroden Antriebselektroden und
die zweiten Elektroden Detektionselektroden umfassen oder die ersten
Elektroden erste Detektionselektroden und die zweiten Elektroden
zweite Detektionselektroden umfassen o der die ersten Elektroden
erste Antriebselektroden und die zweiten Elektroden zweite Antriebselektroden
umfassen. Besonders vorteilhaft werden somit die ersten Fingerelektroden
in Antriebselektroden und Detektionselektroden unterteilt, so dass
durch die Antriebselektroden die seismische Masse zu einer Bewegung entlang
der Hauptbewegungsrichtung antreibbar ist, wobei die Bewegung der
seismischen Masse gleichzeitig von den Detektionselektroden messbar
ist. Die Hauptbewegungsrichtung ist in diesem Fall vorzugsweise
senkrecht zu den ersten und zweiten Fingerelektroden ausgerichtet.
Dies ist insbesondere bei der Integration der mikromechanischen
Struktur in Drehratensensoren besonders wichtig, da bei Drehratensensoren
häufig nicht nur die seismische Masse angetrieben, sondern
auch die Schwingungsgeschwindigkeit der seismischen Masse detektiert
werden muss, da die die Coriolisbeschleunigung und somit das gemessene
Drehratensignal von der tatsächlichen Schwingungsbewegung
der seismischen Masse abhängig ist. Alternativ werden die
ersten Fingerelektroden in vorteilhafter Weise in erste und zweite Detektionselektroden
unterteilt, so dass eine differenzielle Auswertung der Bewegungsdetektion
ermöglicht wird. In einer weiteren alternativen Ausführungsform
werden die ersten Fingerelektroden in erste und zweite Antriebselektroden
unterteilt, so dass in vorteilhafter Weise die ersten und zweiten
Antriebselektroden mit um 180° phasenverschobenen Antriebssignalen
ansteuerbar sind.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die ersten
Fingerelektroden Leiterbahnen umfassen, welche insbesondere auf
einer Substratoberfläche angeordnet sind. Besonders vorteilhaft
sind die ersten Fingerelektroden dadurch vergleichsweise kostengünstig
in Standard-Halbleiterverfahren herstellbar.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur
ein Antriebsmittel und/oder ein Detektionsmittel für einen
Sensor, bevorzugt für einen Beschleunigungssensor und besonders
bevorzugt für einen Drehratensensor umfasst, so dass in
vorteilhafter Weise der benötigte Bauraum der Sensoren
im Vergleich zum Stand der Technik reduzierbar ist oder durch eine
gleichzeitige Implementierung der ersten und der dritten Elektrodenfinger
eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Sensorempfindlichkeit
ohne zusätzlichen Bauraum erzielbar ist.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur
eine Mehrzahl von ersten Fingerelektroden und eine Mehrzahl von
zweiten Fingerelektroden aufweist, wobei bevorzugt die Mehrzahl
von ersten Fingerelektroden und/oder die Mehrzahl von zweiten Fingerelektroden
jeweils als Kammstrukturen ausgebildet sind, so dass in vorteilhafter
Weise die Effizienz des Antriebs der Bewegung und/oder der Bewegungsdetektion
erhöht wird.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Betrieb einer mikromechanischen Struktur, wobei eine Antriebsspannung
zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden zur Erzeugung
einer Bewegung der seismischen Masse angelegt wird, wobei durch
die Bewegung eine Änderung der Überlappung erzeugt
wird, wobei die Antriebsspannung insbesondere zwischen den Antriebselektroden
und den zweiten Fingerelektroden angelegt wird. Die auf die seismische
Masse wirkende Antriebskraft hängt von der Antriebsspannung
und von der sich durch die Bewegung ändernden elektrischen
Kapazität zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden
ab. Die elektrische Kapazität ändert sich bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zum
Stand der Technik durch eine Änderung der Überlappung
senkrecht zur Haupterstreckungsebene, so dass die ersten Fingerelektroden
zwischen dem Substrat und den zweiten Fingerelektroden anzuordnen
sind und damit eine vergleichsweise bauraumkompakte Realisierung
der mikromechanischen Struktur ermöglicht wird.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebsspannung
ferner zwischen den dritten und den vierten Fingerelektroden angelegt
wird. In vorteilhafter Weise wird somit die Effizienz des Antriebs
erheblich erhöht, da sowohl die ersten, als auch die dritten
Fingerelektroden gleichzeitig als Antriebselektroden fungieren.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Betrieb einer mikromechanischen Struktur, wobei zwischen den
ersten und den zweiten Fingerelektroden eine Kapazitätsänderung
zur Detektion einer Bewegung der seismischen Masse abgegriffen wird,
wobei insbesondere eine differentielle Auswertung der Bewegung der seismischen
Masse mittels eines Abgriffs einer ersten Kapazitätsänderung
zwischen den ersten Detektionselektroden und den zweiten Fingerelektroden und
eines zweiten Abgriffs einer zweiten Kapazitätsänderung
zwischen den zweiten Detektionselektroden und den zweiten Fingerelektroden
durchgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist somit eine
Auswertung und insbesondere eine vergleichsweise präzise
differentielle Auswertung der Bewegung der seismischen Masse relativ
zum Substrat möglich, wobei gleichzeitig der benötigte
Bauraum der mikromechanischen Struktur reduzierbar ist. Die differentielle
Auswertung wird durch eine Differenzbildung zwischen einer Spannung
des ersten Abgriffs und einer Spannung des zweiten Abgriffs ermittelt,
so dass sich ungewünschte Störeinflüsse
der Messung gegenseitig kompensieren. Die ersten und zweiten Detektionselektroden
sind dazu derart angeordnet, dass bei einer Bewegung der seismischen
Masse die Überdeckung zwischen einer zweiten Elektrode
mit einer ersten Detektionselektrode größer wird,
während die Überdeckung zwischen dieser zweiten
Elektrode mit der entsprechenden zweiten Detektionselektrode kleiner wird.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine weitere Kapazitätsänderung zwischen
den dritten und den vierten Fingerelektroden abgegriffen wird. Die
Detektionsempfindlichkeit wird somit in erheblicher Weise erhöht,
da sowohl die ersten, als auch die dritten Detektionselektrode zur Detektion
der Bewegung genutzt werden.
-
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es
zeigen
-
1 eine
schematische Aufsicht einer mikromechanischen Struktur gemäß dem
Stand der Technik,
-
2 eine
schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung und
-
3 eine
schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen
der Erfindung
-
In 1 ist
eine schematische Aufsicht einer mikromechanischen Struktur 1' gemäß dem
Stand der Technik dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur 1' ein
eine Feststruktur 50 aufweisendes Substrat 52 und
eine seismische Masse 60 aufweist, wobei die Feststruktur 50 Festelektroden 51 und
die seismische Masse 60 Gegenelektroden 61 aufweist und
wobei die seismische Masse 60 gegenüber der Feststruktur 50 in
einer Hauptbewegungsrichtung 62 beweglich ist. Die Darstellung
zeigt die mikromechanische Struktur 1 in einer Ruhelage,
wobei sich die Projektion der Gegenelektroden 61 mit der
Projektion der Festelektroden 51 jeweils senkrecht zur
Hauptbewegungsrichtung 62 und parallel zur Haupterstreckungsebene 100 überlappen.
Die Festelektroden 51 und die Gegenelektroden 61 sind
als ineinandergreifende Kammelektroden ausgebildet, welche parallel zu
einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 52 im
Wesentlichen in einer Ebene liegen, wobei eine Bewegung der seismischen
Masse 60 parallel zur Hauptbewegungsrichtung 62 eine Änderung
der Überlappung zwischen den Festelektroden 51 und den
Gegenelektroden 61 senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung 62 und
parallel zur Haupterstreckungsebene 100 bewirkt, so dass
sich die elektrische Kapazität zwischen den Festelektroden 51 und den
Gegenelektroden 61 ändert. Die mikromechanische
Struktur 1' kann sowohl zum Antrieb der beweglichen Masse 60 zur
einer Bewegung relativ zum Substrat 52, als auch zur Detektion
einer Bewegung der seismischen Masse 60 relativ zum Substrat 52 dienen.
-
In 2 ist
eine schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei die mikromechanische Struktur 1 ein Substrat 2 und
eine seismische Masse 3 aufweist. Die seismische Masse 3 umfasst
in der Darstellung der 2 beispielhaft eine einzige
zweite Fingerelektrode 31, welche zusammen mit der seismischen
Masse 3 entlang einer Hauptbewegungsrichtung 102 relativ
zum Substrat 2 und parallel zu der ersten und der zweiten
Fingerelektrode 21, 31 beweglich angeordnet ist,
wobei die Hauptbewegungsrichtung 102 senkrecht zur Ausrichtung
der zweiten Fingerelektroden 21 und parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung 100 des
Substrats 2 ist. Das Substrat 2 umfasst in der
Darstellung der 2 beispielhaft eine einzige
erste Fingerelektrode 21, welche entlang einer zur Haupterstreckungsrichtung 100 senkrechten
Lotrichtung 101 im Wesentlichen zwischen dem Substrat 2 und
der zweiten Fingerelektrode 31 angeordnet ist, so dass
die erste und die zweite Fingerelektrode 21, 31 parallel
zur Lotrichtung 101 eine gemeinsame Überdeckung 4 aufweisen. Die
Größe der Überdeckung ist abhängig
von der Position der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 2.
Eine Bewegung der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 3 führt
daher zu einer Änderung der elektrischen Kapazität
zwischen der ersten und der zweiten Fingerelektrode 21, 31,
wobei die Bewegung durch eine Auswertung der Änderung der
elektrischen Kapazität messbar ist. Alternativ kann durch das
Anlegen einer geeigneten Antriebsspannung zwischen die ersten und
die zweiten Fingerelektroden 21, 31 die seismische
Masse 3 relativ zum Substrat 2 entlang der Hauptbewegungsrichtung 102 bewegt
werden.
-
In 3 ist
eine schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen identisch
der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform
ist, wobei die seismische Masse 3 eine Mehrzahl von zweiten
Fingerelektroden 31 aufweist, welche als Kammstruktur ausgebildet
sind, und wobei das Substrat 2 entsprechend eine Mehrzahl
von ersten Fingerelektroden 21 aufweist. Die ersten Fingerelektroden 21 sind
dabei in erste und zweite Elektroden 22, 23 unterteilt,
welche entlang der Hauptbewegungsrichtung 102 alternierend
angeordnet sind. Die ersten Elektroden 22 umfassen vorzugsweise
erste Detektionselektroden 22' und die zweiten Elektroden 23 umfassen
vorzugsweise zweite Detektionselektroden 23'. Dabei ist
eine zweite Fingerelektrode 31' genau einer ersten und
einer zweite Detektionselektrode 22', 23' zugeordnet, so
dass sich bei einer Bewegung der seismischen Masse 3 relativ
zum Substrat 2 und senkrecht zu den ersten und zweiten
Fingerelektroden 21, 31 eine erste Überdeckung 4' zwischen
der einen zweiten Fingerelektrode 31' und der ersten Detektionselektrode 22' vergrößert,
während sich eine zweite Überdeckung 4'' zwischen
der einen zweiten Fingerelektrode 31' und der zweiten Detektionselektrode 23' verkleinert.
Die Messung der Änderung der entsprechenden ersten und
zweiten elektrischen Kapazitäten kann durch eine elektronische
Auswerteschaltung erfolgen, wobei vorteilhafterweise eine differentielle
Auswertung durch Abgreifen entsprechender erster und zweiter elektrischer
Kapazitäten und durch Subtraktion der ersten und zweiten
elektrischen Kapazitäten voneinander erfolgt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-