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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, welches eine Elektrode und eine Wippenstruktur aufweist.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Bauelemente, welche beispielsweise im Automobilbereich als Beschleunigungssensoren zum Einsatz kommen, weisen üblicherweise eine Mikrostruktur mit einem beweglichen Funktionselement auf. Die Mikrostruktur, welche auch als MEMS-Struktur (Micro-Electro-Mechanical System) bezeichnet wird, ist häufig in Form einer drehbaren Wippenstruktur ausgebildet. Hierbei ist die als Schwungmasse bzw. seismische Masse dienende Wippenstruktur mithilfe einer Torsionsfeder drehbar auf einem Substrat gelagert und weist eine bezüglich eines Drehpunkts bzw. einer Drehachse asymmetrische Massenverteilung auf. Diese Ausgestaltung bewirkt bei einer senkrecht zur Substratebene wirkenden Beschleunigung eine Drehung der Wippenstruktur, deren Auslenkung ein Maß für die Beschleunigungskraft ist. Zur Auswertung sind üblicherweise zwei Auswerteelektroden vorgesehen, deren Kapazitäten in Bezug auf die als Gegenelektrode dienende Wippenstruktur erfasst werden. In der Regel wird die Differenz der gemessenen Kapazitäten gebildet.
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Für den Fall, dass der Schwerpunkt und der Drehpunkt einer Wippenstruktur einen unterschiedlichen Abstand zu einem Substrat aufweisen, kann auch eine auf das betreffende Bauelement einwirkende Querbeschleunigung (d.h. in der Substratebene) eine Drehung der Wippenstruktur hervorrufen. Eine solche Querempfindlichkeit kann insbesondere dann auftreten, wenn die Wippenstruktur einen Aufbau mit unterschiedlichen Schichtebenen aufweist. Die hierbei stattfindende Auslenkung führt zu einer Änderung der Kapazitäten und damit zu einem Störsignal, welches von dem gemessenen Signal bei einer senkrechten Beschleunigung nicht zu unterscheiden ist. Je nach Ausführung der Wippenstruktur kann der Störeffekt im Bereich von wenigen Prozent im Vergleich zur Nutzempfindlichkeit des Bauelements liegen.
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Die
DE 10 2006 051 329 A1 beschreibt einen mikromechanischen Z-Beschleunigungssensor mit einer auslenkbaren seismischen Masse in Form einer Wippe, welche durch mindestens eine Mehrfachanordnung von parallel verlaufenden Torsionsfedern mit einem Substrat verbunden ist. Auf diese Weise kann eine höhere Biegesteifigkeit erzielt werden als bei Verwendung einer einzelnen Torsionsfeder.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen, bei dem eine Querempfindlichkeit vermieden oder zumindest reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen, welches eine Elektrode und eine Wippenstruktur als Gegenelektrode zu der Elektrode aufweist. Die Wippenstruktur weist ein drehbares Trägerelement und ein auf dem Trägerelement angeordnetes Massenelement zum Erzeugen einer Massenasymmetrie in Bezug auf einen Drehpunkt auf. Das mikromechanische Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass die Wippenstruktur zusätzlich zu dem Massenelement wenigstens ein auf dem Trägerelement angeordnetes Elektrodenelement zum Bereitstellen einer Hilfskapazität aufweist, um einer Kapazitätsänderung zwischen der Elektrode und der Wippenstruktur infolge einer auf das Bauelement einwirkenden Querbeschleunigung entgegen zu wirken.
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Durch die Gestaltung der Wippenstruktur mit dem zusätzlichen Elektrodenelement besteht die Möglichkeit, den Einfluss einer auf das mikromechanische Bauelement einwirkenden Querbeschleunigung zu verkleinern bzw. zu unterdrücken.
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Das Elektrodenelement wird dazu eingesetzt, um eine (veränderliche) Hilfskapazität zu erzeugen, welche einer (ohne das Elektrodenelement hervorgerufenen) Kapazitätsänderung zwischen der Elektrode und der Wippenstruktur entgegen wirkt, d.h. sich zu dieser „gegensinnig“ verändert. Hierbei besteht insbesondere die Möglichkeit, dass für eine bestimmte Querbeschleunigung bzw. für einen bestimmten „Querbeschleunigungsbereich“ das Elektrodenelement als Kompensationsstruktur fungiert, d.h. dass die Hilfskapazität die (ohne die Hilfskapazität) infolge der Querbeschleunigung hervorgerufene Kapazitätsänderung vollständig oder weitgehend ausgleicht, und sich die Querempfindlichkeit damit kompensieren lässt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das mikromechanische Bauelement eine erste und eine zweite Elektrode auf. Hierbei dient die Wippenstruktur als Gegenelektrode zu der ersten und zu der zweiten Elektrode. Das mikromechanische Bauelement weist des Weiteren ein Substrat und ein erstes und ein zweites auf dem Substrat angeordnetes Stützelement auf. Hierbei ist das erste Stützelement mit der ersten Elektrode und das zweite Stützelement mit der zweiten Elektrode verbunden, und sind die erste und zweite Elektrode durch das erste und zweite Stützelement in einem Abstand zu dem Substrat angeordnet. Durch diese Ausgestaltung kann eine weitgehende mechanische Entkopplung der beiden Elektroden von dem Substrat erzielt werden, so dass beispielsweise Substratverbiegungen nicht zu einer Beeinträchtigung oder Beschädigung der Elektroden führen können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Trägerelement der Wippenstruktur einen einer Unterseite der ersten Elektrode gegenüberliegenden ersten Hebelarm und einen einer Unterseite der zweiten Elektrode gegenüberliegenden zweiten Hebelarm auf. Hierbei ist das Massenelement auf dem zweiten Hebelarm angeordnet und liegt einer Außenseite der zweiten Elektrode gegenüber.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Elektrodenelement der Wippenstruktur auf dem ersten Hebelarm angeordnet und liegt einer Außenseite der ersten Elektrode gegenüber. Diese Ausführungsform ist zum zuverlässigen Unterdrücken bzw. Kompensieren einer Querbeschleunigung für den Fall geeignet, dass der Schwerpunkt der Wippenstruktur einen kleineren Abstand zu dem Substrat aufweist als der Drehpunkt der Wippenstruktur. Eine Querbeschleunigung führt aufgrund der unterschiedlichen Lage von Schwer- und Drehpunkt zu einer Drehung des Trägerelements der Wippenstruktur. Dies führt zu einer Änderung der Abstände zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Hebelarm und zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Hebelarm, was mit einer entsprechenden drehungsbedingten Kapazitätsänderung verbunden ist. Darüber hinaus wird durch die Querbeschleunigung auch eine (laterale) Verschiebung des Trägerelements hervorgerufen. Dies führt zu einer Änderung der Abstände zwischen der ersten Elektrode und dem Elektrodenelement und zwischen der zweiten Elektrode und dem Massenelement, was mit einer entsprechenden verschiebungsbedingten Kapazitätsänderung verbunden ist. Von Vorteil ist, dass sich die einzelnen Abstände an jeder der Elektroden zueinander gegensinnig ändern. Beispielsweise bewirkt die Drehung, dass sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Hebelarm vergrößert, und sich der Abstand zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Hebelarm verkleinert, wohingegen die Verschiebung bewirkt, dass sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode und dem Elektrodenelement verkleinert, und sich der Abstand zwischen der zweiten Elektrode und dem Massenelement vergrößert. Die gegensinnige Abstandsänderung hat zur Folge, dass die drehungsbedingte und die verschiebungsbedingte Kapazitätsänderung zueinander entgegen wirkend sind und sich daher (gegebenenfalls) gegenseitig aufheben können.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist die Wippenstruktur ein erstes und ein zweites Elektrodenelement zum Bereitstellen der Hilfskapazität auf. Das erste Elektrodenelement ist auf dem ersten Hebelarm, und das zweite Elektrodenelement ist auf dem zweiten Hebelarm angeordnet. Auch liegt das erste Elektrodenelement einer Innenseite der ersten Elektrode, und liegt das zweite Elektrodenelement einer Innenseite der zweiten Elektrode gegenüber. Diese Ausführungsform ist zum zuverlässigen Unterdrücken bzw. Kompensieren einer Querbeschleunigung für den Fall geeignet, dass der Schwerpunkt der Wippenstruktur einen größeren Abstand zu dem Substrat aufweist als der Drehpunkt der Wippenstruktur. Auch hierbei hat eine Querbeschleunigung aufgrund der unterschiedlichen Lage von Schwer- und Drehpunkt eine Drehung des Trägerelements der Wippenstruktur zur Folge. Dies führt zu einer Änderung der Abstände zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Hebelarm und zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Hebelarm, was mit einer entsprechenden drehungsbedingten Kapazitätsänderung verbunden ist. Des Weiteren wird durch die Querbeschleunigung auch eine (laterale) Verschiebung des Trägerelements hervorgerufen. Dies führt zu einer Änderung der Abstände zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Elektrodenelement und zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Elektrodenelement, was mit einer entsprechenden verschiebungsbedingten Kapazitätsänderung verbunden ist. Von Vorteil ist erneut, dass sich die einzelnen Abstände an jeder der Elektroden zueinander gegensinnig ändern. Beispielsweise bewirkt die Drehung, dass sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Hebelarm verkleinert, und sich der Abstand zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Hebelarm vergrößert, wohingegen die Verschiebung bewirkt, dass sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Elektrodenelement vergrößert, und sich der Abstand zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Elektrodenelement verkleinert. Die gegensinnige Abstandsänderung hat zur Folge, dass die drehungsbedingte und die verschiebungsbedingte Kapazitätsänderung zueinander entgegen wirkend sind und sich infolgedessen (gegebenenfalls) gegenseitig aufheben können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische seitliche Darstellung eines mikromechanischen Bauelements;
- 2 eine schematische seitliche Darstellung des Bauelements von 1 bei einer auf das Bauelement einwirkenden Querbeschleunigung;
- 3 eine 2 entsprechende schematische Aufsichtsdarstellung auf das Bauelement;
- 4 eine schematische seitliche Darstellung eines weiteren mikromechanischen Bauelements; und
- 5 eine schematische seitliche Darstellung des Bauelements von 4 bei einer auf das Bauelement einwirkenden Querbeschleunigung.
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Die anhand der folgenden Figuren beschriebenen mikromechanischen Bauelemente weisen Wippenstrukturen auf, bei denen gegenüber herkömmlichen Wippenstrukturen (wenigstens) ein zusätzliches Elektrodenelement vorgesehen ist, welches eine „Parasitärkapazität“ zur eigentlichen Nutzkapazität bildet. Die Parasitärkapazität wird als Hilfskapazität eingesetzt, welche einer störenden Kapazitätsänderung infolge einer auf die Bauelemente einwirkenden Querbeschleunigung entgegen wirkt. Im Hinblick auf die beschriebenen Bauelemente wird des Weiteren ergänzend darauf hingewiesen, dass für die Herstellung in der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik übliche Materialien und Prozesse zum Einsatz kommen können.
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1 zeigt eine schematische seitliche Darstellung eines mikromechanischen Bauelements 100, welches beispielsweise als Beschleunigungssensor in einem Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Das Bauelement 100 weist ein Substrat 110, eine erste und zweite beispielsweise quaderförmige Elektrode 131, 132, und eine als Gegenelektrode dienende und in mehreren Schichtebenen ausgeführte Wippenstruktur 140 auf. Weiter vorgesehen sind zwei stegförmige Stützelemente 111, 112, welche auf der Oberfläche des Substrats 110 angeordnet und mit den Elektroden 131, 132 verbunden sind. Durch die Stützelemente 111, 112 werden die beiden Elektroden 131, 132 in einem Abstand zu dem Substrat 110 gehalten. Auf diese Weise ergibt sich eine mechanische Entkopplung der Elektroden 131, 132, so dass insbesondere eine Wölbung des Substrats 110 nicht zu einer Beeinträchtigung oder Beschädigung der Elektroden 131, 132 führen kann.
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Die Wippenstruktur 140 weist ein drehbar gelagertes plattenförmiges Trägerelement 143 mit einem ersten Hebelarm 141 und einem zweiten Hebelarm 142 auf. Der erste Hebelarm 141 liegt einer Unterseite, d.h. einer in 1 nach unten gerichteten bzw. in Richtung des Substrats 110 orientierten Seite der ersten Elektrode 131 gegenüber. In entsprechender Weise liegt der zweite Hebelarm 142 einer Unterseite der zweiten Elektrode 132 gegenüber. Zum drehbaren Lagern der Wippenstruktur 140 bzw. des Trägerelements 143 ist eine Trägerstruktur 120 vorgesehen. Die Trägerstruktur 120 umfasst eine mit dem Trägerelement 143 verbundene Torsionsfeder 121, und ein auf der Substratoberfläche angeordnetes und mit der Torsionsfeder 121 verbundenes Stützelement 122. Das Trägerelement 143 weist wie in 3 dargestellt eine Aussparung 149 auf, durch welche sich ein Teil der Trägerstruktur 120 bzw. das Stützelement 122 und die mit den Elektroden 131, 132 verbundenen Stützelemente 111, 112 erstrecken. Zur Veranschaulichung ist in 1 ferner ein Drehpunkt bzw. eine Drehachse D dargestellt, um welche das an der Torsionsfeder 121 befestigte Trägerelement 143 drehbar ist.
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Die Wippenstruktur 140 weist des Weiteren ein quaderförmiges Massenelement 147 auf, welches auf dem zweiten Hebelarm 142 angrenzend an dessen seitlichen Rand angeordnet ist und einer Außenseite, d.h. einer seitlich nach außen gerichteten Seite der zweiten Elektrode 132 gegenüberliegt. Durch das Massenelement 147 weist die Wippenstruktur 140 eine in Bezug auf den Drehpunkt D asymmetrische Massenverteilung auf, was zum Erfassen von Beschleunigungen ausgenutzt wird. Zum Verdeutlichen der Massenasymmetrie ist in 1 ferner die Lage eines (möglichen) Schwerpunkts S der Wippenstruktur dargestellt. Der Schwerpunkt S befindet sich hierbei im Bereich des Massenelements 147.
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Darüber hinaus weist die Wippenstruktur 140 zusätzlich zu dem Massenelement 147 ein weiteres plattenförmiges Strukturelement 145 auf, welches als „seitliche“ Elektrode fungiert und daher im Folgenden als Elektrodenelement 145 bezeichnet wird. Das Elektrodenelement 145 ist auf dem ersten Hebelarm 141 des Trägerelements 143 im Bereich des seitlichen Randes angeordnet und liegt einer Außenseite der ersten Elektrode 131 gegenüber. Das Elektrodenelement 145, welches wie das Massenelement 147 (elektrisch) mit dem Trägerelement 143 verbunden ist und daher auf das gleiche elektrische Potential gebracht werden kann wie das Trägerelement 143 und das Massenelement 147, dient dem Verringern des Einflusses einer den Betrieb des Bauelements 100 störenden Querbeschleunigung, wie weiter unten näher beschrieben wird.
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Das Elektrodenelement 145 und das Massenelement 147 können beispielsweise durch eine gemeinsame, zur Herstellung der Wippenstruktur 140 eingesetzte Schichtstrukturierung erzeugt werden. Des Weiteren können bei der in 1 gezeigten „Ausgangsstellung“ der Wippenstruktur 140 die Oberseiten, d.h. die nach oben gerichteten Seiten des Elektrodenelements 145, der Elektroden 131, 132, des Massenelements 147 und der Trägerstruktur 120 bzw. der Torsionsfeder 121 bündig sein. In der Ausgangsstellung sind die Abstände z1 und z2 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem ersten Hebelarm 141 und zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem zweiten Hebelarm 142 gleich. Auch können die Abstände d1 und d2 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem Elektrodenelement 145 und zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem Massenelement 147 gleich sein.
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Die Ausgestaltung der Wippenstruktur 140 mit der asymmetrischen Massenverteilung bewirkt bei einer senkrecht zur Substratebene bzw. Oberfläche des Substrats 110 einwirkenden Beschleunigung eine Drehung der Wippenstruktur 140 um die Drehachse D, deren Auslenkung ein Maß für die Beschleunigungskraft ist. Hierbei ändern sich (gegenüber der Ausgangsstellung in 1) insbesondere der Abstand z1 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem ersten Hebelarm 141 und der Abstand z2 zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem zweiten Hebelarm 142, was durch Messen von elektrischen Kapazitäten oder Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden 131, 132 und der als Gegenelektrode dienenden Wippenstruktur 140 erfasst wird. Zu diesem Zweck werden entsprechende elektrische Potentiale an die beiden Elektroden 131, 132 und die Wippenstruktur 140 angelegt. Möglich ist auch eine Differenzauswertung, bei der die Differenz aus den Kapazitäten zwischen der ersten Elektrode 131 und der Wippenstruktur 140 sowie zwischen der zweiten Elektrode 132 und der Wippenstruktur 140 gebildet wird.
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Bei dem Bauelement 100 liegen der Drehpunkt D und der Schwerpunkt S der Wippenstruktur 140 in unterschiedlichen Abständen zur Substratoberfläche bzw. in unterschiedlichen Ebenen bezogen auf das Substrat 110, wie in 1 anhand von gestrichelten Linien angedeutet ist. Der Schwerpunkt S liegt hierbei näher an der Substratoberfläche als der Drehpunkt D. Eine auf das Bauelement 100 einwirkende Querbeschleunigung, d.h. eine seitliche Beschleunigung mit einer Kraftwirkung in einer Richtung parallel zur Substratebene bzw. Substratoberfläche, hat daher neben einer lateralen Verschiebung auch eine Drehung des Trägerelements 143 der Wippenstruktur 140 zur Folge.
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Die 2 und 3 veranschaulichen den Einfluss einer solchen Querbeschleunigung für den Fall, dass das Substrat 110 durch die Querbeschleunigung nach links bewegt wird. Aufgrund der Massenträgheit wirkt auf die Wippenstruktur 140 (bzw. deren Schwerpunkt S) eine nach rechts gerichtete Kraft Fx, wodurch die Wippenstruktur 140 bzw. das Trägerelement 143 etwas nach rechts bewegt und die Torsionsfeder 121 entsprechend verbogen wird. Durch die unterschiedliche Lage des Drehpunkts D und des Schwerpunkts S bezogen auf das Substrat 110 wirkt auf den Hebelarm 142 der Wippenstruktur 140 (bzw. auf den Schwerpunkt S) ferner eine nach oben gerichtete Kraft Fz, wodurch ein Drehmoment an der Torsionsfeder 121 erzeugt und das Trägerelement 143 in eine gegenüber der Ausgangslage von 1 verdrehte Stellung gebracht wird.
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Die dargestellte Drehung des Trägerelements 143 hat zur Folge, dass sich der (mittlere) Abstand z1 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem ersten Hebelarm 141 vergrößert, und sich der (mittlere) Abstand z2 zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem zweiten Hebelarm 142 verkleinert. Hingegen hat die Verschiebung des Trägerelements 143 zur Folge, dass sich der (mittlere) Abstand d1 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem Elektrodenelement 145 verkleinert, und sich der (mittlere) Abstand d2 zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem Massenelement 147 vergrößert. An jeder der Elektroden 131, 132 ist die drehungsbedingte Abstandsänderung (Abstände z1, z2) daher entgegen gesetzt zu der verschiebungsbedingten Abstandsänderung (Abstände d1, d2). Dies gilt in entsprechender Weise auch für den Fall einer das Substrat 110 nach rechts ziehenden Querbeschleunigung, wodurch die in 1 dargestellten Kraftvektoren Fx, Fz entgegen gesetzte Richtungen aufweisen, und die vorstehenden Ausführungen analog gelten.
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Das Elektrodenelement 145 bildet zusammen mit der gegenüberliegenden ersten Elektrode 131 eine „Parasitärkapazität“, welche parallel geschaltet ist zur eigentlichen „Nutzkapazität“ zwischen den Elektroden 131, 132 und der Wippenstruktur 140. Bei der Drehung und Verschiebung der Wippenstruktur 140 infolge der Querbeschleunigung wirkt die Parasitärkapazität jedoch als Hilfskapazität, welche einer störenden Kapazitätsänderung entgegen wirkt. Hierbei hat die oben beschriebene Veränderung der Abstände z1, z2 eine im Wesentlichen „drehungsbedingte“ Kapazitätsänderung, und die Veränderung der Abstände d1, d2 eine im Wesentlichen „verschiebungsbedingte“ Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden 131, 132 und der Wippenstruktur 140 zur Folge. Entsprechend den Abständen d1, d2 und z1, z2 sind die drehungsbedingte und die verschiebungsbedingte Kapazitätsänderung einander gegensinnig, d.h. weisen unterschiedliche „Vorzeichen“ auf, wodurch der Einfluss einer auf das Bauelement 100 einwirkenden Querbeschleunigung reduziert werden kann. Bei dieser Betrachtung werden zusätzliche kapazitive Effekte, beispielsweise zwischen den Elektroden 131, 132 und der Trägerstruktur 120, vernachlässigt, da diese über einen ausreichenden Abstand minimiert werden können.
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Das Bauelement 100 kann mithilfe des Elektrodenelements 145 sogar derart ausgebildet sein, dass die drehungs- und die verschiebungsbedingte Kapazitätsänderung für eine bestimmte Querbeschleunigung bzw. für einen bestimmten „Querbeschleunigungsbereich“ den gleichen Betrag aufweisen, sich also gegenseitig aufheben, wodurch eine vollständige Kompensation der Querempfindlichkeit erzielt werden kann. Eine solche Auslegung des Bauelements 100 ist insbesondere abhängig von der Federsteifigkeit der Torsionsfeder 121 und den in der Ausgangsstellung der Wippenstruktur 140 vorliegenden Abständen d1 und d2.
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Im Gegensatz hierzu kann bei einem herkömmlichen Bauelement ohne ein solches Elektrodenelement 145 keine Hilfskapazität bereitgestellt werden, welche einer Kapazitätsänderung zwischen Auswerteelektroden und einer Wippenstruktur aufgrund einer Querbeschleunigung entgegen wirkt. Auf diese Weise besteht bei bekannten Bauelementen das Problem, dass die Querbeschleunigung nicht von einer senkrecht auf das Bauelement einwirkenden Beschleunigungskraft unterschieden werden kann, und daher mithilfe des betreffenden Bauelements ein Störsignal erzeugt wird, welches fälschlicherweise einen senkrecht auf das Substrat einwirkenden Beschleunigungswert wiedergibt.
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4 zeigt eine schematische seitliche Darstellung eines weiteren mikromechanischen Bauelements 101, welches einen ähnlichen Aufbau aufweist wie das vorstehend anhand der 1 bis 3 beschriebene Bauelement 100. Das Bauelement 101 weist ein Substrat 110, eine erste und zweite quaderförmige Elektrode 131, 132, und eine als Gegenelektrode dienende Wippenstruktur 150 auf. Die beiden Elektroden 131, 132 sind mit zwei auf der Oberfläche des Substrats 110 angeordneten stegförmigen Stützelementen 111, 112 verbunden, wodurch die Elektroden 131, 132 in einem Abstand zu dem Substrat 110 gehalten werden.
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Die Wippenstruktur 150 umfasst ein um einen Drehpunkt D drehbares plattenförmiges Trägerelement 153 mit einem ersten Hebelarm 151 und einem zweiten Hebelarm 152, wobei der erste Hebelarm 151 einer Unterseite der ersten Elektrode 131, und der zweite Hebelarm 152 einer Unterseite der zweiten Elektrode 132 gegenüber liegt. Zum drehbaren Lagern des Trägerelements 153 ist eine Trägerstruktur 120 vorgesehen, welche eine mit dem Trägerelement 153 verbundene Torsionsfeder 121, und ein auf der Substratoberfläche angeordnetes und mit der Torsionsfeder 121 verbundenes Stützelement 122 aufweist. Das Trägerelement 153 besitzt entsprechend dem Trägerelement 143 des Bauelements 100 eine Aussparung zum Durchführen der Trägerstruktur 120 bzw. des Stützelements 122 und der Stützelemente 111, 112 (nicht dargestellt).
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Die Wippenstruktur 150 weist des Weiteren ein quaderförmiges Massenelement 157 auf, welches auf dem zweiten Hebelarm 152 angrenzend an dessen seitlichen Rand angeordnet ist und einer Außenseite der zweiten Elektrode 132 gegenüberliegt. Durch das Massenelement 157 weist die Wippenstruktur 150 eine in Bezug auf den Drehpunkt D asymmetrische Massenverteilung auf, um Beschleunigungen erfassen zu können. Ein möglicher Schwerpunkt S der Wippenstruktur kann sich wie in 4 angedeutet im Bereich des Massenelements 157 befinden.
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Zusätzlich zu dem Massenelement 157 weist die Wippenstruktur 150 ein erstes und ein zweites plattenförmiges Elektrodenelement 155, 156 auf, welche jeweils zwischen der ersten bzw. zweiten Elektrode 131, 132 und der Torsionsfeder 121 angeordnet sind. Das erste Elektrodenelement 155 liegt hierbei einer Innenseite der ersten Elektrode 131, und das zweite Elektrodenelement 156 einer Innenseite der zweiten Elektrode 132 gegenüber.
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Die beiden Elektrodenelemente 155, 156, welche wie das Massenelement 157 (elektrisch) mit dem Trägerelement 153 verbunden sind und daher auf das gleiche elektrische Potential gebracht werden können wie das Trägerelement 153 und das Massenelement 157, sind zum Verringern des Einflusses einer den Betrieb des Bauelements 101 störenden Querbeschleunigung vorgesehen, wie weiter unten näher beschrieben wird. Die Elektrodenelemente 155, 156 und das Massenelement 157 können beispielsweise durch eine gemeinsame, zur Herstellung der Wippenstruktur 150 eingesetzte Schichtstrukturierung erzeugt werden. Auch können bei der in 4 gezeigten „Ausgangsstellung“ der Wippenstruktur 150 die Oberseiten der Elektrodenelemente 155, 156, der Elektroden 131, 132, des Massenelements 157 und der Trägerstruktur 120 bzw. der Torsionsfeder 121 bündig sein. In der Ausgangsstellung sind die Abstände z1 und z2 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem ersten Hebelarm 151 und zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem zweiten Hebelarm 152 gleich. Auch können die Abstände d1 und d2 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem ersten Elektrodenelement 155 und zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem zweiten Elektrodenelement 156 gleich sein.
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Die Ausgestaltung der Wippenstruktur 150 mit der asymmetrischen Massenverteilung bewirkt bei einer senkrecht zur Substratebene bzw. Oberfläche des Substrats 110 einwirkenden Beschleunigung eine Drehung der Wippenstruktur 150 um die Drehachse D, deren Auslenkung ein Maß für die Beschleunigungskraft ist. Zum Erfassen der Auslenkung und damit der Beschleunigung werden wie bei dem Bauelement 100 die Kapazitäten bzw. Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden 131, 132 und der als Gegenelektrode dienenden Wippenstruktur 150 erfasst, sowie gegebenenfalls einer Differenzbildung unterzogen.
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Auch bei dem Bauelement 101 liegen der Drehpunkt D und der Schwerpunkt S der Wippenstruktur 150 in unterschiedlichen Abständen zur Substratoberfläche bzw. in unterschiedlichen Ebenen bezogen auf das Substrat 110, wie in 4 anhand von gestrichelten Linien angedeutet ist. Der Schwerpunkt S liegt bei dem Bauelement 101 im Unterschied zu dem Bauelement 100 weiter weg von der Substratoberfläche als der Drehpunkt D. Auch bei einer solchen Konstellation bewirkt eine auf das Bauelement 101 einwirkende Querbeschleunigung, d.h. eine Beschleunigungskraft in einer Richtung parallel zur Substratebene bzw. Substratoberfläche, neben einer lateralen Bewegung gleichzeitig eine Drehung des Trägerelements 153 der Wippenstruktur 150.
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5 veranschaulicht den Einfluss einer solchen Querbeschleunigung für den Fall, dass das Substrat 110 durch die Querbeschleunigung nach links bewegt wird. Aufgrund der Massenträgheit wirkt auf die Wippenstruktur 150 (bzw. deren Schwerpunkt S) eine nach rechts gerichtete Kraft Fx, wodurch die Wippenstruktur 150 bzw. das Trägerelement 153 lateral etwas nach rechts ausgelenkt wird und die Torsionsfeder 121 eine entsprechende Verbiegung aufweist. Durch die unterschiedliche Lage des Drehpunkts D und des Schwerpunkts S bezogen auf das Substrat 110 wirkt auf den Hebelarm 152 der Wippenstruktur 150 (bzw. auf den Schwerpunkt S) ferner eine nach unten gerichtete Kraft Fz, wodurch ein Drehmoment an der Torsionsfeder 121 erzeugt und das Trägerelement 153 in eine gegenüber der Ausgangslage von 4 verdrehte Stellung gebracht wird.
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Die dargestellte Drehung des Trägerelements 153 hat zur Folge, dass sich der (mittlere) Abstand z1 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem ersten Hebelarm 151 verkleinert, und sich der (mittlere) Abstand z2 zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem zweiten Hebelarm 152 vergrößert. Hingegen hat die Verschiebung des Trägerelements 153 zur Folge, dass sich der (mittlere) Abstand d1 zwischen der ersten Elektrode 131 und dem ersten Elektrodenelement 155 vergrößert, und sich der (mittlere) Abstand d2 zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem zweiten Elektrodenelement 156 verkleinert. An jeder der Elektroden 131, 132 ist die drehungsbedingte Abstandsänderung (Abstände z1, z2) daher entgegen gesetzt zu der verschiebungsbedingten Abstandsänderung (Abstände d1, d2). Dies gilt in entsprechender Weise auch für den Fall einer das Substrat 110 nach rechts ziehenden Querbeschleunigung, wodurch die in 1 dargestellten Kraftvektoren Fx, Fz entgegen gesetzte Richtungen aufweisen, und die vorstehenden Ausführungen analog gelten.
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Die Elektrodenelemente 155, 156 bilden zusammen mit den gegenüberliegenden Elektroden 131, 132 jeweils eine „Parasitärkapazität“, welche parallel geschaltet ist zur eigentlichen „Nutzkapazität“ zwischen den Elektroden 131, 132 und der Wippenstruktur 150. Bei der Drehung und Verschiebung der Wippenstruktur 150 infolge der Querbeschleunigung wirken die parasitären Kapazitäten jedoch als Hilfskapazität, welche einer störenden Kapazitätsänderung entgegen wirkt. Die oben beschriebene Veränderung der Abstände z1, z2 hat eine im Wesentlichen „drehungsbedingte“ Kapazitätsänderung, und die Veränderung der Abstände d1, d2 eine im Wesentlichen „verschiebungsbedingte“ Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden 131, 132 und der Wippenstruktur 150 zur Folge. Entsprechend den Abständen d1, d2 und z1, z2 sind die drehungsbedingte und die verschiebungsbedingte Kapazitätsänderung einander gegensinnig, d.h. weisen unterschiedliche „Vorzeichen“ auf, wodurch der Einfluss einer Querbeschleunigung auf das Bauelement 101 reduziert werden kann. Bei dieser Betrachtung werden zusätzliche kapazitive Effekte, beispielsweise zwischen der zweiten Elektrode 132 und dem Massenelement 157, nicht berücksichtigt. Im Unterschied zu dem Bauelement 100 weist das Massenelement 157 jedoch bei dem Bauelement 101 einen größeren Abstand zu der Elektrode 132 auf, so dass dieser kapazitive Beitrag vernachlässigt werden kann.
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Auch das Bauelement 101 kann durch Einsatz der Elektrodenelemente 155, 156 derart ausgebildet sein, dass die drehungs- und die verschiebungsbedingte Kapazitätsänderung für eine bestimmte Querbeschleunigung bzw. für einen bestimmten „Querbeschleunigungsbereich“ den gleichen Betrag aufweisen, sich also gegenseitig aufheben, wodurch eine vollständige Kompensation der Querempfindlichkeit erzielt werden kann. Eine solche Auslegung des Bauelements 101 ist insbesondere abhängig von der Federsteifigkeit der Torsionsfeder 121 und den in der Ausgangsstellung der Wippenstruktur 150 vorliegenden Abständen d1 und d2.
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Die anhand der mikromechanischen Bauelemente 100, 101 beschriebene Verringerung des Einflusses einer Querbeschleunigung tritt nicht nur für diejenigen Fälle ein, dass die Querbeschleunigung in einer Richtung parallel zur Substratebene bzw. Substratoberfläche auftritt. Eine Verringerung oder Kompensation ist auch möglich für schräg zu dem Substrat 110 auftretende Beschleunigungen, wobei hierbei der (störende) Einfluss der parallel zu dem Substrat 110 wirkenden „Beschleunigungskomponente“ reduziert wird.
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Bei mikromechanischen Bauelementen werden üblicherweise Querempfindlichkeiten von kleiner als ein bis zwei Prozent angestrebt. Neben dem Einfluss einer Querbeschleunigung können zusätzlich weitere Störeffekte die Betriebsweise eines mikromechanischen Bauelements beeinträchtigen. Hierunter fällt zum Beispiel eine verdrehte oder verkippte Anordnung eines Bauelements bzw. Substrats in einem Moldgehäuse. Durch das Vorsehen (wenigstens) eines Elektrodenelements zum Bereitstellen einer Hilfskapazität kann der Einfluss von Querbeschleunigungen derart reduziert werden, dass trotz dieser zusätzlichen Störeffekte ein Bauelement den Vorgaben an eine (maximale) Querempfindlichkeit entspricht.
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Die anhand der Figuren erläuterten Bauelemente 100, 101 stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar, eine Wippenstruktur mit (wenigstens) einem Elektrodenelement zum Bereitstellen einer Hilfskapazität zu versehen, um den Einfluss einer Querbeschleunigung zu reduzieren. Darüber hinaus sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen bzw. Kombinationen von Merkmalen der beschriebenen Bauelemente 100, 101 umfassen können. Ein mögliches Beispiel ist ein Bauelement mit lediglich einer Auswerteelektrode (welche gegebenenfalls mit einem Stützelement in einem Abstand zu einem Substrat angeordnet ist) und einer als Gegenelektrode dienenden Wippenstruktur, wobei die Wippenstruktur ein Elektrodenelement zum Bereitstellen einer Hilfskapazität aufweist, um den störenden Einfluss einer Querbeschleunigung zu verkleinern oder vollständig zu kompensieren.
