DE102009002986B4

DE102009002986B4 - Piezoelektrischer Energiewandler mit Anschlag und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102009002986B4
Application number: DE102009002986.9A
Authority: DE
Inventors: Michael HORTIG
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: DE102009002986A1

Abstract

Mikromechanisches Wandlerelement zur Erfassung einer physikalischen Größe, in Abhängigkeit von der Durchbiegung eines mit Piezowiderständen ausgestatteten Biegebalkens (110), wobei sich der Biegebalken (110) beim Anlegen einer Spannung an die Piezowiderstände durchbiegt,wobei dem Biegebalken (110) ein erstes Anschlagselement (140) zugeordnet ist, gegen das sich der Biegebalken (110) beim Anlegen einer Spannung oberhalb einer Grenzspannung drückt,dadurch gekennzeichnet, dassdie Oberflächenform des ersten Anschlagselements (140) an dieOberflächenform des Biegebalkens (110) wie ein Negativ angepasst ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Wandlerelement zur Erfassung einer Druck- bzw. Beschleunigungsgröße sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Aus der Mikromechanik sind Sensoren bekannt, bei denen in Abhängigkeit der Durchbiegung einer Membran eine Druck- bzw. Beschleunigungsgröße erfasst wird. Die Erfassung erfolgt dabei mittels Piezowiderständen, die in der Membran eingearbeitet sind oder auf der Membran separat erzeugt werden. Wird an die Membran ein Druck angelegt, verbiegt sich die Membran und mit ihr die darauf befindlichen Piezowiderstände, die ihrerseits in Abhängigkeit von der Durchbiegung ein elektrisches Signal abgeben, welches proportional zur Durchbiegung ist. Da sich die Keramik, aus der die piezoelektrischen Widerstände hergestellt werden, nicht beliebig verbiegen lassen, ohne dass ein irreperabler Schaden entsteht, kann vorgesehen sein, einen Anschlag für die Membran zu erzeugen. Durch einen derartigen Anschlag kann die Anfälligkeit der piezoelektrischen Widerstände gegenüber Zugspannungen begrenzt werden.
Aus der DE 101 38 759 A1 ist beispielsweise bekannt, in die Membran ein Anschlagselement einzubauen, welches die Durchbiegung der Membran über ein gewisses Maß hinaus verhindert. Entsprechende Anschlagselemente am Boden einer Kaverne sind ebenfalls bereits bekannt.
Aus den Schriften EP 0 631 142 A1 und US 2005/0097958 A1 ist jeweils gattungsgemäß ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem die in Folge einer Beschleunigung auszulenkende Masse auf ein Anschlagselement trifft.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Wandlerelement zur Erfassung einer physikalischen Größe, beispielsweise einer Druck- oder Beschleunigungsgröße, in Abhängigkeit von der Durchbiegung einer mit Piezowiderständen ausgestatteten Membran bzw. eines Biegebalkens sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei ist vorgesehen, dass ein an der Membran bzw. dem Biegebalken anliegender Druck bzw. eine Beschleunigung eine elektrische Spannung in den Piezowiderständen erzeugt. Die Durchbiegung der Membran bzw. des Biegebalkens kann jedoch auch durch ein Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Piezowiderstände erfolgen. Zur Sicherung der Piezowiderstände ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem Biegebalken ein erstes Anschlagselement derart gegenüber angeordnet ist, dass beim Anlegen einer Spannung oberhalb einer Grenzspannung die Membran bzw. der Biegebalken nicht weiter durchgebogen wird, da sie bzw. er sich an das erste Anschlagselement anlegt.
Vorteilhafterweise wird für die Grenzspannung eine Spannung gewählt, die die Piezowiderstände abgeben würden, wenn die Membran bzw. der Biegebalken maximal ausgelenkt wird, ohne dass die Piezowiderstände einen irreperablen Schaden erleiden. Somit kann sichergestellt werden, dass die Membran, der Biegebalken und/oder die Piezowiderstände keine schädigende Durchbiegung erleiden, da erst bei Überschreitung der Grenzspannung durch die damit zusammenhängende Durchbiegung eine Schädigung hervorgerufen werden würde.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass an der Membran bzw. am Biegebalken ein zweites Anschlagselement vorgesehen ist, welches der Durchbiegung starr folgt und sich bei Erreichen der Grenzspannung gegen das erste Anschlagselement drückt. Durch einen derartigen Aufbau lässt sich eine ebene Oberfläche des ersten Anschlagelements erzeugen.
Durch das mit der Erfindung beanspruchte Verfahren kann die Oberflächenform des ersten Anschlagelements an die Durchbiegung der Membran bzw. des Biegebalkens wie ein Negativ angepasst werden, indem ein Abdruck erzeugt wird. Bei der Verwendung eines zweiten Anschlagelements an der Membran bzw. am Biegebalken ist die Oberflächenform des zweiten Anschlagelements ausschlaggebend für die Form des ersten Anschlagelements.
Vorteilhaft ist ebenfalls, wenn das zunächst flexible bzw. viskose Material des ersten Anschlagelements nach der Formung durch das gezielte Verbiegen der Membran, des Biegebalkens oder das damit verbundene Andrücken des zweiten Anschlagelements ausgehärtet oder (intern) vernetzt wird. Dies kann mit Hilfe von Wärme, Strahlung, Licht, Zeitablauf oder durch den Kontakt mit einem weiteren Material wie beispielsweise einem Gas erfolgen. Durch einen derartigen Vorgang kann der Härtungsprozess oder auch der Vernetzungsprozess sowohl gestartet aber auch bis zur endgültigen Verfestigung durchgeführt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, an die Piezowiderstände eine Wechselspannung anzulegen, so dass die Membran bzw. der Biegebalken sowie ggf. das zweite Anschlagselement zu Schwingungen angeregt wird. Die damit verbundene Bewegung der Membran, des Biegebalkens oder des zweiten Anschlagselements verdrängt während der Erzeugung des ersten Anschlagelements das noch flexible bzw. viskose Material. Die Verdrängung kann dabei dadurch erfolgen, dass sofort die maximale Spannung und somit die maximale Schwingungsamplitude erzeugt wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Spannung und somit auch die Schwingungsamplitude im Zeitverlauf von kleinen Werten bis zum maximalen Wert gesteigert wird, um eine langsame Verdrängung des flexiblen bzw. viskosen Materials zu ermöglichen. Dies hätte den Vorteil, dass auf die Membran bzw. den Biegebalken weniger Belastungen durch die Verdrängung ausgeübt werden müsste. U.U. ist auch möglich, zusätzlich zu der Wechselspannung einen Gleichspannungsanteil zu überlagern, um einen Offset zu generieren.
Die Ausführung der Erfindung ist ohne zusätzliche Anschlüsse möglich, da die Spannung an die gleichen Kontakte angelegt werden kann, die bei der Messwerterfassung genutzt werden.
Vorteilhaft ist ebenfalls, wenn das erste Anschlagselement in einer Vertiefung des Substrats untergebracht ist. Diese Vertiefung kann dabei mittels gängiger mikromechanischer Verfahren erzeugt werden, bevor das noch flexible bzw. viskose Material eingebracht wird. Anschließend wird eine Membran oder ein Biegebalken über die Vertiefung erzeugt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Membran oder der Biegebalken die Vertiefung komplett überdeckt und somit ein Volumen einschließt, so dass eine absolute Druckmessung ermöglicht wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Membran oder der Biegebalken die Vertiefung nur teilweise überdecken. Denkbar ist hierbei beispielsweise, dass der Biegebalken in Form eines Cantilevers oberhalb der Vertiefung angebracht ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
In der 1 ist der erfindungsgemäße Aufbau im entspannten Zustand dargestellt. Die 2 zeigt dagegen den Zustand des Aufbaus, nachdem eine Spannung größer als die Grenzspannung an die Piezowiderstände angelegt ist. Die dabei gezeigte Durchbiegung stellt somit die maximale Durchbiegung der Membran dar, die die Piezowiderstände noch ohne Schaden aushalten können.
Ausführungsbeispiel
Mikromechanische Drucksensoren können sowohl mittels kapazitiver als auch piezosensitiver Messwerterfassung realisiert werden. Bei der Verwendung von Piezowiderständen als Erfassungsmittel ist darauf zu achten, dass die hierzu häufig verwendeten Piezokeramiken nur ein gewisses Maß an Verbiegungen aushalten, bevor sie Schaden nehmen und nicht mehr genutzt werden können. Besonders Zugspannungen lassen Piezokeramiken bersten, so dass beim Aufbau eines Wandlerelements mit Piezokeramiken darauf zu achten ist, dass in den entsprechenden Strukturen (z.B. Membran, Biegebalken) bei den vorgesehenen Auslenkungen keine Verbiegungen über ein gefährdendes Maß hinaus auftreten.
Eine Möglichkeit, die Auslenkungen auf ein geeignetes Maß zu beschränken, liegt in der Verwendung von Anschlägen, die wahlweise in der Membran aber auch in der unter der Membran liegenden Kaverne vorgesehen sein können. Bei der Herstellung derartiger Anschläge ist jedoch darauf zu achten, dass die damit verbundenen Fertigungstoleranzen bei der maximal möglichen Auslenkung der Membran bzw. des Biegebalkens mit berücksichtigt werden. So sind beispielsweise bei typischen Druckwandlern Fertigungstoleranzen in der Größenordnung von 10 µm über den gesamten Aufbau einzuhalten.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die benötigten Anschlagselemente unabhängig von den verfahrenstechnisch vorliegenden Fertigungstoleranzen herzustellen. Hierzu wird bei einem typischen Druckwandler mittels mikromechanischer Verfahren zunächst eine Kaverne 105 in einem Substrat 100 erzeugt. Anschließend wird in die Kaverne 105 ein Material zur Ausbildung eines ersten Anschlagelements 140 eingebracht. Um das Anschlagelement 140 an die Durchbiegung der nachfolgend zu erzeugenden Membran 110 anpassen zu können, ist dieses Material zunächst noch flexibel bzw. viskos zu halten. Optional kann das Material auch im Wesentlichen flüssig sein, sofern die Möglichkeit besteht, dass das Material verdrängt werden kann, z.B. an den Rändern. Nach dem Einbringen des Materials wird eine Membran 110 oberhalb des Materials erzeugt, die vorteilhafterweise die gesamte Kaverne 105 bedeckt und dort ein (Gas-)Volumen einschließt. Wie in der 1 dargestellt, kann diese Membran 110 zusätzlich ein zweites Anschlagselement 120 enthalten, welches den Kontakt zum ersten Anschlagselement 140 herstellt, jedoch ist die Verwendung dieses zusätzlichen zweiten Anschlagelements 120 nicht zwingend notwendig. Weiterhin weist die Membran 110 ein piezoelektrisches Element 130 auf, welches bei einer Verbiegung eine elektrische Spannung abhängig von der Durchbiegung aus der Nulllage 170 heraus erzeugt.
Im Ausgangszustand, d.h. im entspannten Zustand, weist die Membran 110 keine Verbiegung auf. Wird nun durch eine Spannungsquelle 160 an das Piezoelement 130 eine Spannung angelegt, wird das Piezoelement 130 und damit die Membran 110 verbogen, wie in der 2 gezeigt. Bei dieser Durchbiegung 175 wird die Membran 110 um den Abstand 155 aus Ihrer Ruhelage heraus ausgelenkt und ein optionales zweites Abstandselement 120 wird entsprechend auf das Material des ersten Abstandselements 140 gedrückt. Da das Material zunächst noch flexibel ist, verformt sich das erste Abstandselement 140 entsprechend dem Druck, der durch die Membran 110 bzw. das zweite Abstandselement 120 erzeugt wird. Die Form des ersten Abstandselements 140, deren Oberflächengestaltung im Wesentlichen durch die Membranverbiegung bzw. das zweite Abstandselement geprägt wird, wird anschließend durch einen Härtungsvorgang des Materials fixiert. Je nach Wahl des Materials (z.B. ein Klebstoff) können gängige Verfahren zur Aushärtung oder einer (internen) Vernetzung verwendet werden, wie Bestrahlung durch radioaktive Substanzen oder Licht, thermische Behandlung oder auch ein Kontakt mit einem weiteren Material wie beispielsweise einem Gas. Es ist jedoch auch möglich, ein Material zu verwenden, welches nur eine gewisse Zeit formbar ist und mit dem Zeitablauf von alleine aushärtet oder sich vernetzt. Denkbar wäre hierbei der Einsatz von Zwei-Komponenten-Materialien.
Aufgrund der Eigenschaft des Piezoelements 130 ist das Anlegen einer Wechselspannung notwendig, um eine dauerhafte Auslenkung der Membran während des Aushärtevorgangs zu erreichen. Mit dieser Wechselspannung wird jedoch das Piezoelement 130 und die Membran 110 in Schwingungen versetzt, so dass kein kontinuierlicher Druck auf das Material des ersten Anschlagelements 140 ausgeübt wird. Abhilfe kann hierbei eine Überlagerung der Wechselspannung mit einer Gleichspannung leisten.
Durch die Vorgabe einer geeigneten elektrischen (Grenz-)Spannung, bei der das Piezoelement (noch) keine Schädigung aufweist, wird der Abstand 155 eingestellt, den die Membran 110 bzw. das zweite Abstandselement 120 maximal überwinden kann, bevor es in den Anschlag gerät. Im entspannten Zustand stellt sich dabei der Abstand 150 ein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, zuerst die Kaverne mit der Membran zu erzeugen, bevor das Material zur Bildung des ersten Anschlagelements eingebracht wird.
Weiterhin ist möglich, dass die Membran 110 nicht komplett die Kaverne abschließt, sondern Öffnungen zum Druckausgleich aufweist. Derartige Membrangestaltungen sind beispielsweise von mikromechanischen Mikrophonen bekannt.
Im Gegensatz zum Aufbau nach 1 und 2 kann auch vorgesehen sein, dass statt der Membran 110 ein Biegebalken verwendet wird, der nur teilweise über der Kaverne 105 angeordnet ist. So ist denkbar, einen Biegebalken in Form eines Cantilevers zu benutzen, um statt einem Druck eine Beschleunigung zu erfassen.
Optional kann auch ein Aufbau vorgesehen sein, bei dem keine Kaverne verwendet wird. Dabei wird das Material des ersten Anschlagelements direkt auf das Substrat aufgebracht und die Membran bzw. der Biegebalken anschließend oberhalb des Materials erzeugt. Ein derartiger Aufbau kann beispielsweise durch übliche mikromechanische Verfahren wie Epitaxieverfahren oder andere mechanische Aufbauten die ein Biegebalken und ein Piezoelement enthalten realisiert werden.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist lediglich die Ausgestaltung der unteren Anschlagsbegrenzung dargestellt worden. Es ist jedoch durchaus auch denkbar, mit einem entsprechenden Verfahren ein oberes Anschlagselement zu erzeugen.

Claims

Mikromechanisches Wandlerelement zur Erfassung einer physikalischen Größe, in Abhängigkeit von der Durchbiegung eines mit Piezowiderständen ausgestatteten Biegebalkens (110), wobei sich der Biegebalken (110) beim Anlegen einer Spannung an die Piezowiderstände durchbiegt, wobei dem Biegebalken (110) ein erstes Anschlagselement (140) zugeordnet ist, gegen das sich der Biegebalken (110) beim Anlegen einer Spannung oberhalb einer Grenzspannung drückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform des ersten Anschlagselements (140) an die Oberflächenform des Biegebalkens (110) wie ein Negativ angepasst ist.
Mikromechanisches Wandlerelement zur Erfassung einer physikalischen Größe in Abhängigkeit von der Durchbiegung eines mit Piezowiderständen ausgestatteten Biegebalkens (110), wobei sich der Biegebalken (110) beim Anlegen einer Spannung an die Piezowiderstände durchbiegt, wobei der Biegebalken (110) ein zweites Anschlagselement (120) aufweist, welches gegenüber der Durchbiegung des Biegebalkens (110) formstarr bleibt und sich beim Anlegen einer Spannung oberhalb einer Grenzspannung gegen ein erstes Anschlagselement (140) drückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform des ersten Anschlagselements (140) an die Oberflächenform des zweiten Anschlagselements (120) wie ein Negativ angepasst ist.
Mikromechanisches Wandlerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlagselement (140) ein Material aufweist, welches während des Drückens des Biegebalkens (110) oder des zweiten Anschlagselements (120) gegen das erste Anschlagselement (140) ausgehärtet oder vernetzt worden ist.
Mikromechanisches Wandlerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (110) in Schwingungen angeregt wird, wenn an das Piezoelement eine Wechselspannung angelegt wird.
Mikromechanisches Wandlerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement eine Vertiefung (105) in einem Substrat (100) aufweist, wobei der Biegebalken (110) die Vertiefung wenigstens teilweise überspannt und das erste Anschlagselement (140) im Wesentlichen in der Vertiefung angebracht ist.
Mikromechanisches Wandlerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (110) als Membran ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Wandlerelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den Schritten - Aufbringen eines flexiblen Materials auf ein Substrat (100) zur Bildung eines ersten Anschlagselements (140), und - Erzeugen eines Biegebalkens (110) mit Piezowiderständen oberhalb des flexiblen Materials, und - gezieltes Durchbiegen des Biegebalkens (110) mittels Anlegen einer Spannung an die Piezowiderstände oberhalb einer Grenzspannung, und - Verdrängen eines Teils des flexiblen Materials des ersten Anschlagselements (140) durch die Durchbiegung des Biegebalkens (110), und - Aushärten des flexiblen Materials.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Wandlerelements nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat eine Vertiefung eingebracht wird, wobei das erste Anschlagselement (140) im Wesentlichen in der Vertiefung erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Wandlerelements nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (110) - als Membran über die Vertiefung erzeugt wird und/oder - ein zweites Anschlagselement (120) aufweist, welches in Abhängigkeit der Durchbiegung das flexible Material des ersten Anschlagselements (140) verdrängt.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Wandlerelements nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Härtevorgang mittels Wärme, Strahlung, Lichteinstrahlung, Zeitablauf oder Kontakt mit einem weiteren Material wie beispielsweise einem Gas erfolgt.