-
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer in einer Detektionsrichtung auslenkbaren seismischen Masse und einer Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen unerwünschter Bewegungen der seismischen Masse in einer zur Detektionsrichtung orthogonalen Richtung.
-
Stand der Technik
-
Mikromechanische Sensoren kommen in verschiedenen technischen Anwendungen zum Einsatz. Unter anderem werden kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (z-Richtung) verwendet, die in Form einer Wippe ausgebildet sind. Dieses Sensorprinzip basiert auf einem Feder-Masse-System, bei dem die Bewegung einer gegenüber einem Substrat elastisch auslenkbar aufgehängten seismischen Masse kapazitiv erfasst wird. Die Masse wird dabei mittels einer Torsionsfeder derart aufgehängt, dass die sich auf beiden Seiten der Torsionsfeder unterschiedlich große Massestrukturen ergeben. Hierdurch wird beim Einwirken einer Beschleunigung eine Drehung der Massestruktur um eine durch die Torsionsfeder vorgegebene Drehachse bewirkt. Ein solches Feder-Masse-System reagiert jedoch auch auf Beschleunigungen in der zur bevorzugten Detektionsrichtung orthogonalen Ebene, was zu unerwünschten Schwingungen der Sensormasse in dieser Ebene führt. Diese Schwingungen können im Resonanzfall zum Anschlagen der Wippe und damit zu Störsignalen in der Größenordnung des Messereichs führen. Als besonders störend auf das Nutzsignal erweisen sich dabei insbesondere zwei In-Plane-Moden, nämlich eine Rotationsschwingung der Sensormasse um eine zur Detektionsrichtung parallele Rotationsachse sowie eine Translationsschwingung in Längsrichtung der Masse.
-
In der Druckschrift
EP 2 023 152 A1 ist ein wippenförmiger Sensor offenbart, der eine gegenüber einem Substrat in einer vertikalen Detektionsrichtung beweglich angeordnete seismische Masse umfasst. Die seismische Masse ist dabei mittels eines Spalts von einem die seismische Masse umgebenden Rahmenbereich getrennt.
-
Aus der
EP 2 151 691 A2 ist ein System zur Erkennung einer linearen Beschleunigung außerhalb eines Flugzeugs mithilfe eines Closed-Loop-Linearantriebs-Beschleunigungsmessers bekannt. Das System umfasst einen mikromechanischen Sensor, der eine wippenförmig aufgehängte seismischen Masse mit kammförmigen Elektrodenstrukturen umfasst. Die kammförmigen Elektrodenstrukturen interagieren dabei mit entsprechenden am Substrat befestigten komplementären Elektrodenstrukturen, die ebenfalls kammförmig ausgebildet sind. Diese Elektronenanordnung dient dabei als ein mechanischer Antrieb, wobei die Elektrodenstrukturen bei einer Auslenkung der seismischen Masse senkrecht zur Substratebene eine der Bewegung entgegenwirkende Rückstellkraft erzeugen.
-
Aus der
US 5 447 068 A ist ein kapazitiver Beschleunigungssensor bekannt, der eine innerhalb der Substratebene auslenkbare Massestruktur umfasst.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, bei der unerwünschte Schwingungen der seismischen Masse wirksam gedämpft werden. Diese Aufgabe wird durch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Gemäß der Erfindung ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor umfassend ein Substrat und eine gegenüber dem Substrat in einer Detektionsrichtung beweglich angeordnete seismische Masse, wobei der mikromechanische Sensor wenigstens eine Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen von Bewegungen der seismischen Masse senkrecht zur Detektionsrichtung umfasst. Mithilfe der Dämpfungseinrichtung können die unerwünschten Schwingungen der seismischen Masse wirksam unterbunden werden. Hierdurch wird unter anderem ein Anschlagen der seismischen Masse unterbunden bzw. zu höheren Beschleunigungen verschoben. Insgesamt kann mithilfe des erfindungsgemäßen Konzepts eine Verbesserung der Vibrationsrobustheit und der Überlastfestigkeit eines wippenförmigen z-Beschleunigungssensors erzielt werden.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die seismische Masse wenigstens eine bewegliche Dämpfungsstruktur umfasst, die mit einer am Substrat angeordneten feststehenden Dämpfungsstruktur einen mit einem Gas gefüllten Dämpfungsspalt mit einer vorgegebenen Breite bildet, wobei die Dämpfungsstrukturen derart in Bezug auf die Detektionsrichtung angeordnet sind, dass bei einer Bewegung der seismischen Masse senkrecht zur Detektionsrichtung die Breite des Dämpfungsspalts reduziert und dabei eine Quetschung des Gases im Dämpfungsspalt bewirkt wird. Die Quetschfilmdämpfung erlaubt eine sehr effektive Dämpfung von Störschwingungen in der Ebene senkrecht zur Detektionsrichtung. Dabei erfolgt die Dämpfung passiv, d.h. ohne aktiv eingreifende Einrichtungen. Daher kann hiermit eine effektive Dämpfung sehr kostengünstig erzeugt werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Dämpfungseinrichtung ausgebildet, eine Rotationsbewegung der seismischen Masse um eine zur Detektionsrichtung parallele Rotationsachse zu dämpfen. Insbesondere bei wippenförmigen Sensoren, bei denen solche Rotationsschwingungen aufgrund unsymmetrisch verteilter Massen zu starken Störungen führen, kann mithilfe einer solchen Dämpfungseinrichtung eine deutliche Verringerung der Störbarkeit durch Beschleunigungen parallel zur Torsionsachse (104) erreicht werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung in einem von der Rotationsachse entfernten Bereich der seismischen Masse angeordnet ist. Durch die große Hebelwirkung einer solchen Anordnung wird eine hohe Effektivität der Dämpfungseinrichtung erreicht.
-
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Dämpfungseinrichtung ausgebildet ist, eine Translationsbewegung der seismischen Masse senkrecht zur Detektionsrichtung zu dämpfen. Hierdurch kann eine deutliche Verringerung der Störbarkeit durch Beschleunigungen senkrecht zur Torsionsachse (104) erreicht werden.
-
In einer Abwandlung ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung mehrere Dämpfungsstrukturen umfasst, wobei die beweglichen Dämpfungsstrukturen der seismischen Masse und die feststehenden Dämpfungsstrukturen des Substrats in einer alternierenden Reihenfolge nebeneinander angeordnet sind. Hierdurch kann die Wirkung der Dämpfung gesteigert werden. Durch die Verwendung vieler in geringem Abstand voneinander angeordneter Dämpfungsstrukturen kann senkrecht zur Detektionsebene eine signifikante Gesamtdämpfungsfläche und damit eine Überdämpfung der lateralen Detektionsmode erzielt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung mehrere kammförmig angeordnete bewegliche Dämpfungsstrukturen umfasst, die in entsprechend kammförmig angeordnete feststehende Dämpfungsstrukturen eingreifen. Diese spezielle Anordnung der Dämpfungselemente erlaubt eine sehr effektive Nutzung der zur Verfügung stehenden Fläche.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die seismische Masse schlitzförmige Öffnungen umfasst, zwischen denen jeweils eine stegförmig ausgebildete bewegliche Dämpfungsstruktur verläuft, wobei die feststehenden Dämpfungsstrukturen in die schlitzförmigen Öffnungen eingreifen. Mithilfe der schlitzförmigen Öffnungen ist es möglich, die beweglichen Dämpfungsstrukturen besonders dünn auszubilden. Hierdurch kann die Anzahl der nebeneinander angeordneten Dämpfungsstrukturen erhöht werden, wodurch wiederum eine höhere Dämpfung erreicht werden kann.
-
In einer Ausführungsform ist eine Rahmenstruktur vorgesehen, welche die seismische Masse wenigstens teilweise umfasst, wobei zwischen einem als feststehende Dämpfungsstruktur dienenden Randbereich der seismischen Masse und einem als bewegliche Dämpfungsstruktur dienenden inneren Bereich der rahmenförmigen Dämpfungsstruktur ein Dämpfungsspalt ausgebildet ist. Die Rahmenstruktur erlaubt eine besonders einfache Herstellung der Dämpfungsstruktur.
-
Ferner sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass die Dämpfungsstruktur und die seismische Masse an ein gemeinsames elektrisches Potential angeschlossen sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Dämpfung durch keine unerwünschten elektrostatischen Effekte beeinflusst wird.
-
Schließlich sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass der mikromechanische Sensor als wippenförmiger Beschleunigungssensor ausgebildet ist. Gerade bei wippenförmigen Beschleunigungssensoren kann mithilfe einer solchen Dämpfungseinrichtung eine deutliche Verringerung der Störbarkeit durch Beschleunigungen senkrecht zur Torsionsachse (104) erreicht werden..
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine als wippenförmiger z-Beschleunigungssensor ausgebildete Sensorstruktur;
- 2 eine schematische Seitenansicht des wippenförmigen z-Beschleunigungssensors aus 1;
- 3 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß modifizierten z-Beschleunigungssensor mit einer Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen einer Rotationsschwingung;
- 4 eine Detailansicht des z-Beschleunigungssensors aus 3;
- 5 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß modifizierten z-Beschleunigungssensor mit einer Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen einer Translationsschwingung;
- 6 eine Detailansicht des z-Beschleunigungssensors aus 5;
- 7 einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit einer ersten Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Rotationsschwingung und einer zweiten Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Translationsschwingung;
- 8 einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit einer kammförmig ausgebildeten ersten Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Rotationsschwingung und einer zweiten Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Translationsschwingung;
- 9 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit einer rahmenförmigen Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen von Schwingungen;
- 10 eine Detailansicht des z-Beschleunigungssensors aus 9.
-
Die 1 und 2 zeigen einen typischen z-Beschleunigungssensor (zBS), der im so genannten „Wippendesign“ ausgebildet ist. Der in 1 in einer Draufsicht dargestellte mikromechanische Sensor 100 besteht im Wesentlichen aus einem als seismische Masse dienenden plattenförmigen Körper 120, der mittels einer elastischen Aufhängung 140 wippenförmig auslenkbar gegenüber einem darunter angeordneten Substrat 110 aufgehängt ist. Die seismische Masse 120 kann dabei beispielsweise über zwei Torsionsfedern 141, 142 mit einer den Torsionsfedern 141, 142 als Aufhängungspunkt dienenden zentralen Trägerstruktur 130 verbunden sein. Die Aufhängung der seismischen Masse 120 ist dabei so gewählt, dass sich auf einer Wippenseite 122 eine Zusatzmasse 123 ergibt, welche bei einer Beschleunigung der Sensorstruktur senkrecht zur Substratebene ein Drehmoment und damit eine Auslenkung α der Wippe 120 aus ihrer Ruhe-/Nulllage bewirkt. Die Bewegung der Wippe 120 wird im vorliegendem Beispiel mittels zwei beidseitig der Trägerstruktur 130 angeordneten Detektionselektroden 151, 161 kapazitiv ausgewertet, die jeweils mit der seismischen Masse 120 als gemeinsame Gegenelektrode eine separate Detektionselektrodenanordnung 150, 160 bilden.
-
Wie in der eine Seitenansicht des wippenförmigen Beschleunigungssensors 100 aus 1 zeigenden 2 mittels der gestrichelten Linie angedeutet ist, bewirkt eine Auslenkung der seismischen Masse 120 um einen Winkel α nach links eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der linken Detektionselektrode 151 und Massenelektrode 120, während der Abstand zwischen der rechten Detektionselektrode 161 und Massenelektrode 120 gleichzeitig verringert wird. Aus der resultierenden Kapazitätsdifferenz zwischen den Detektionselektrodenanordnungen 150, 160 lässt sich die Auslenkung der Wippe 120 ermitteln.
-
Wie in der 1 mittels der Pfeile 102, 103 angedeutet ist, kommt es aufgrund der Verwendung elastischer Torsionsfedern 141, 142 auch zu einer Auslenkung der seismischen Masse innerhalb der x-y-Ebene senkrecht zur Detektionsrichtung 101. Hierbei werden als Störmoden insbesondere eine Translationsschwingung der seismischen Masse parallel zur x-Richtung sowie eine Rotationsschwingung der seismischen Masse um eine zur z-Richtung parallele Rotationsachse 105 angeregt. Ein typischer mikromechanischer Sensor 100 ist innerhalb einer gasgefüllten Kaverne untergebracht, welche die empfindlichen mikromechanischen Bestandteile des Sensors vor schädlichen Umwelteinflüssen schützt. Durch Reibungseffekte der seismischen Masse 120 mit den in der Kaverne eingeschlossenen Gasmolekülen wird die Detektionsbewegung der Wippe in z-Richtung stark gedämpft. Die starke Dämpfung bewirkt, dass störende Vibrationen oberhalb des niederfrequenten Messbereichs (ca. 10 bis 50 Hz) und mit deutlich höheren Frequenzen als die -3 dB-Frequenz nur geringe bzw. keine Fehler im Sensorsignal erzeugen. Die Dämpfung in z-Richtung wird dominiert durch Kanalreibung und Umlenkströmungen an den Perforationslöchern 124 der Wippe 120, die im Herstellungsprozess als Maßnahme zur erleichterten Unterätzung in regelmäßigen Abständen in den plattenförmigen Wippenkörper 120 erzeugt wurden. Im Unterschied zu der Schwingungsbewegung in z-Richtung werden bei der hier dargestellten Konstruktion Schwingungsmoden der Wippe 120 in der Ebene (sogenannte In-Plane-Moden) sehr viel schwächer gedämpft, wodurch die Wippe 120 mit entsprechenden Störanregungen leicht in Schwingung versetzt werden kann. Diese Störmoden hängen von verschiedenen Eigenschaften des Sensorelements 100 ab, wie z. B. der Funktionsschichtdicke oder der Anordnung der Torsionsfedern. Abhängig von der jeweiligen Anwendung können diese Störmoden sehr nahe an den mit hohen Störvibrationen behafteten Frequenzbereichen der Zielapplikationen liegen (für integrierte ESP-Geräte beispielsweise einige kHz). Da die In-Plane-Moden über eine hohe Güte verfügen, können die Störvibrationen, insbesondere in Kombination mit Resonanzen des Sensorgehäuses, selbst bei geringen Störanregungen im Bereich von wenigen G zum lateralen Anschlagen der Wippe und damit zu unzulässig großen Störsignalen am Sensorausgang führen.
-
Zur Reduktion der störenden In-Plane-Schwingungen wird der mikromechanische Sensor 100 mit wenigstens einer Dämpfungseinrichtung ausgestattet, bei der die Dämpfungswirkung mittels Quetschfilmdämpfung (squeeze-film-damping) bewirkt wird. Als Dämpfungseinrichtungen werden dabei sich in einem geringen Abstand gegenüber liegende longitudinale Dämpfungsstrukturen verwendet, die sich vorzugsweise senkrecht zur jeweiligen Dämpfungsrichtung erstrecken. Dabei bilden jeweils eine an der Wippenstruktur 120 angeordnete erste Dämpfungsstruktur und eine mit dem Substrat 110 verbundene zweite Dämpfungsstruktur einen vorzugsweise orthogonal zur jeweiligen Dämpfungsrichtung verlaufenden Dämpfungsspalt. Die Spaltdicke wird durch den Abstand der beiden Detektionsstrukturen bestimmt. Dieser wird vorzugsweise so gewählt, dass sich eine für die jeweilige Anwendung optimale Dämpfungswirkung ergibt. Bei der Quetschfilmdämpfung handelt es sich um einen fluidischen Effekt, bei dem ein zwischen zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Flächen eingeschlossenes Fluid (im vorliegenden Fall ein Gas) bei einer Annäherung der Flächen einen Teil der Bewegungsenergie in Form von Wärmeenergie aufnimmt. Die gewünschte Quetschfilmdämpfung entsteht insbesondere bei Spalten, die eine wesentlich größere laterale Ausdehnung aufweisen als der Abstand der sich gegenüberliegenden Flächen.
-
Die 3 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß modifizierten Beschleunigungssensor 100, bei dem eine Dämpfungseinrichtung 200 zur Dämpfung einer Rotationsbewegung der Wippe 120 um die Rotationsachse 105 vorgesehen ist. Die Dämpfungseinrichtung 200 ist dabei vorzugsweise in einem Randbereich des langen Abschnitts 122 der seismischen Masse 120 angeordnet. Aufgrund der großen Distanz zwischen der Dämpfungseinrichtung 200 und der Rotationsachse 105 ergibt sich eine hohe Hebelwirkung, wodurch wiederum die Effektivität der Dämpfungseinrichtung 200 erhöht wird. Die Dämpfungseinrichtung 200 umfasst mehrere sensorseitig angeordnete Dämpfungsstrukturen 210, die als quer zur ersten Dämpfungsrichtung verlaufende Stege ausgebildet sind. Die Stege 210 werden durch parallel zueinander verlaufende schlitzförmige Löcher 125 definiert, die im äußeren Randbereich der Wippe 120 ausgebildet sind. Innerhalb der Löcher sind komplementäre Dämpfungsstrukturen 220 angeordnet, die fest mit dem darunterliegenden Substrat 110 verbunden sind.
-
Zur besseren Verdeutlichung zeigt die 4 eine Detailansicht der Dämpfungseinrichtung 200. Der dargestellte Ausschnitt entspricht dem rechten oberen Bereich der in der 1 gezeigten Sensorvorrichtung 100. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur jeweils eine der Dämpfungsstrukturen 210, 220 mit Bezugszeichen versehen. Wie in der 4 gezeigt ist, greifen die substratseitig angeordneten Dämpfungsstrukturen 220 in die schlitzartigen Löcher der Wippe 120 ein, ohne die stegartig ausgebildeten Dämpfungselemente 210 zu berühren. Hierzu können die substratseitigen Dämpfungsstrukturen 220 aus derselben Funktionsschicht gebildet werden wie die Wippe 120. Sie werden dann vorzugsweise in einem gemeinsamen Strukturierungsschritt mit den anderen Strukturen der Wippe 120, wie z. B. der Perforationslöcher oder der Aufhängung der Wippe erzeugt. Die substratseitigen Dämpfungsstrukturen 220 sind über eine Basis 222, die sich nicht über die gesamte Länge der jeweiligen Dämpfungsstruktur ausdehnen muss, mechanisch an das darunterliegende Substrat 110 gekoppelt. Zwischen einer balkenförmigen Dämpfungsstruktur 220 des Substrats und der ihr direkt benachbarten stegförmigen Dämpfungsstruktur 210 der Wippe 120 ist jeweils ein Spalt 230 mit einer definierten Breite vorgesehen. Die Spaltbreite wird dabei durch die Breite der einzelnen Strukturen 210, 220 bestimmt, die je nach Anwendung variieren können. Die Dämpfungswirkung dieser Anordnung wird erfindungsgemäß mittels des Quetschfilmeffekts erreicht, wobei ein im Spalt 230 befindliches Gas bei einer Bewegung der Wippe 120 in eine Richtung parallel zur y-Richtung zwischen den Flächen 211, 221 zweier benachbarter Dämpfungsstrukturen 210, 220 gequetscht wird. Die Kompression des im Dämpfungsspalt 230 eingeschlossenen Gases erzeugt ähnlich einem Luftkissen eine der Bewegung der Wippe 120 entgegengesetzt gerichtete Kraftkomponente. Gleichzeitig führt die Kompression auch zu einer Erwärmung des Gases. Da ein Teil der Bewegungsenergie der Wippe 120 in Wärmeenergie umgewandelt wird, weist der Vorgang eine dämpfende Wirkung auf die Rotationsbewegung 102 der Wippe 120 auf.
-
Die 5 zeigt eine Draufsicht auf einen mikromechanischen Sensor 100 mit einer Dämpfungseinrichtung 300 zum Dämpfen von Translationsbewegungen der Wippe 120 in x-Richtung. Im Unterschied zu der in den 3 und 4 gezeigten Dämpfungseinrichtung 200 für die Rotationsmode verlaufen die Dämpfungsstrukturen 310, 320 der Dämpfungseinrichtung 300 nunmehr in die y-Richtung. Da für die Translationsbewegung grundsätzlich keine Hebelwirkung erzielbar ist, kann die Dämpfungseinrichtung 300, wie vorliegend der Fall, unmittelbar an der Aufhängung der Wippe 120 angeordnet werden. Dabei ist es vorteilhaft, die Anbindung der feststehenden Dämpfungsstrukturen 220 an das Substrat 110 über die Basis 130 der Aufhängung der Wippe 120 zu realisieren. Dazu kann die Basis 130 sowie die die Aufhängung aufnehmende zentrale Öffnung 126 in x-Richtung entsprechend breiter ausgebildet werden. Die in 5 dargestellte Struktur zum Dämpfen der Translationsbewegung bewirkt gleichzeitig auch eine Dämpfung der Rotationsbewegung um die Rotationsachse 105. Wegen der geringeren Hebelwirkung ist die Dämpfung allerdings nicht ganz so hoch wie im Fall von 3.
-
Die 6 zeigt eine Detailansicht der Dämpfungseinrichtung 300 aus der 5. Dargestellt ist dabei der obere Abschnitt der Dämpfungseinrichtung 300. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur jeweils eine der Dämpfungsstrukturen 310, 320 mit Bezugszeichen versehen. Wie in der 6 gezeigt ist, umfasst die Dämpfungseinrichtung 300 mehrere zinkenartig aus dem Verbindungssteg 127 der beiden Wippenabschnitte 121, 122 entgegengesetzt zur y-Richtung entspringende Dämpfungsstrukturen. Ferner sind hierzu komplementär ausgebildete in y-Richtung aus der Basis 130 entspringende zinkenförmige Dämpfungsstrukturen 320 vorgesehen. Die Dämpfungsstrukturen 310, 320 greifen dabei kammartig ineinander ein, sodass jeweils zwischen einer wippenseitigen Dämpfungsstruktur 310 und einer substratseitigen Dämpfungsstruktur 320 ein die Dämpfung bewirkender Spalt mit einer definierten Breite entsteht. Die Dämpfungswirkung dieser Anordnung ergibt sich ebenfalls durch den Quetschfilmeffekt, wobei ein im Spalt 330 befindliches Gas während der Bewegung der Wippe 120 parallel zur x-Richtung zwischen der Fläche 311 der wippenseitigen Dämpfungsstruktur 310 und der Fläche 321 der substratseitigen Dämpfungsstruktur 320 gequetscht wird. Entsprechend wird bei der Bewegung der Wippe in x-Richtung das Gas in einem benachbarten Spalt der Dämpfungsstrukturanordnung gequetscht. Die Dämpfungswirkung dieser Anordnung ist unter anderem abhängig von der Anzahl und Länge der zueinander komplementären Dämpfungsstrukturen 310, 320. Um eine ausreichende Dämpfungswirkung zu erzielen, ist es vorteilhaft, mehrere Dämpfungsstrukturpaare nebeneinander kammartig anzuordnen. Dabei können die Dämpfungsstrukturen 310, 320, wie in 5 gezeigt, beidseitig der Federstrukturen 141, 142 angeordnet sein. Alternativ können die zueinander kammartig angeordneten Dämpfungsstrukturen auch lediglich auf einer Seite der Federstrukturen 141, 142 angeordnet werden. Wie in der 5 gezeigt ist, werden die Dämpfungsstrukturen 310, 320 unterhalb der Basis 130 symmetrisch zu den Dämpfungsstrukturen 310, 320 oberhalb der Basis 130 angeordnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass durch die Dämpfungswirkung der Dämpfungsstrukturen keine auf die Wippe 120 wirkenden Drehmomente erzeugt werden.
-
Die in den 3 und 4 gezeigte Dämpfungseinrichtung für die Rotationsmode und die in den 5 und 6 gezeigte Dämpfungseinrichtung für die Translationsmode lassen sich auch gemeinsam in einem mikromechanischen Sensor 100 realisieren. Die 7 zeigt einen entsprechenden Sensor 100, bei dem sowohl eine im äußeren Randbereich der Wippe 120 angeordnete erste Dämpfungseinrichtung 200 als auch eine im Bereich der Aufhängung angeordnete zweite Dämpfungseinrichtung 300 vorgesehen sind. Die beiden Dämpfungseinrichtungen 200, 300 sind dabei entsprechend den in den vorherigen Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen ausgebildet.
-
Die 8 zeigt eine alternative Variante des erfindungsgemäß ausgebildeten mikromechanischen Sensors 100. Im Unterschied zu den in der 7 gezeigten Sensor ist hierbei die erste Dämpfungseinrichtung 200 ebenfalls kammförmig ausgebildet. Hierzu sind die wippenseitigen Dämpfungsstrukturen als in x-Richtung aus der Wippe 120 entspringende Zinken ausgebildet, die Kammartig nebeneinander angeordnet sind. Die hierzu komplementären substratseitigen Dämpfungsstrukturen 220 sind ebenfalls zinkenartig ausgebildet und kammförmig angeordnet. Wie in der 8 gezeigt ist, können die Dämpfungsstrukturen 220 bei dieser Anordnung an einer gemeinsamen Basis 222 befestigt sein, die Außerhalb der Dämpfungseinrichtung 200 angeordnet ist.
-
Eine alternative Variante des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors 100 ist in der 9 dargestellt. Hierbei wird die Dämpfungswirkung durch einen Spalt 239, 330 zwischen der Wippe 120 und einer die Wippe 120 wenigstens teilweise umfassenden Struktur 170 erzeugt. Dabei wird eine die Rotationsmode der Wippe 120 dämpfende erste Dämpfungseinrichtung 200 von den in der 9 horizontal verlaufenden Spaltabschnitten 230 gebildet. Während eine die Translationsmode der Wippe 120 dämpfende zweite Dämpfungseinrichtung 300 von den in der Figur vertikal verlaufenden Spaltabschnitten 330 gebildet wird. Die Rahmenstruktur 170 ist dabei vorzugsweise aus derselben Funktionsschicht gebildet wie die Wippe 120. Zur näheren Erläuterung der Funktionsweise dieser Ausführungsform ist in der 10 eine Detailansicht des rechten unteren Abschnitts der in der 9 gezeigten Anordnung dargestellt. Wie aus der 10 ersichtlich ist, dient als substratseitige Dämpfungsstruktur 210 der ersten Dämpfungseinrichtung 200 ein die den horizontalen Spaltabschnitt 230 begrenzende Fläche 211 umfassender horizontaler Randabschnitt der Wippe 120, während die substratseitige Dämpfungsstruktur 220 von einem entsprechend den Konturen der Wippe 120 geformten und die den horizontalen Spaltabschnitt 230 begrenzende Fläche 221 umfassenden horizontalen Randabschnitt der Rahmenstruktur 170 gebildet wird. In analoger Weise wird eine substratseitige Dämpfungsstruktur 310 durch einen die den vertikalen Spaltabschnitt 330 begrenzende Fläche 311 umfassenden vertikalen Randabschnitt der Wippe 120 gebildet, während eine substratseitige Dämpfungsstruktur 320 der zweiten Dämpfungseinrichtung 300 durch einen der Kontur des Abschnitts 310 folgenden und die den vertikalen Spaltabschnitt 330 begrenzende Fläche 321 umfassenden Randabschnitt der Rahmenstruktur 170 gebildet wird.
-
Die in der 9 gezeigte Rahmenstruktur 170 muss die Wippe 120 nicht vollständig umschließen. Je nach Anwendung kann auch eine sich nur teilweise über den Umfang der Wippe 120 erstreckende Rahmenstruktur vorgesehen sein.
-
Um eine optimale Dämpfungswirkung der hier beschriebenen Dämpfungseinrichtungen 200, 300 zu erzielen, werden die jeweils zueinander komplementären Dämpfungsstrukturen 210 und 220 sowie 310 und 320 vorzugsweise in einem sehr geringen Abstand zueinander erzeugt. Die Breite des jeweiligen Dämpfungsspalts 230, 330 kann dabei je nach Anwendung unterschiedlich gewählt werden, um die Dämpfungswirkung den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung anzupassen. Um störende elektrostatische Effekte zu verhindern, werden die Dämpfungsstrukturen 210, 220, 310, 320 der Dämpfungseinrichtungen 200, 300 vorzugsweise auf ein gemeinsames elektrisches Potential gelegt. Dies kann beispielsweise mithilfe von Durchkontaktierungen zu vergrabenen Elektroden im Bereich der Fixierungspunkte der jeweiligen Strukturen realisiert werden.
-
Bei den in der bevorstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren offenbarten Ausführungsformen handelt es sich lediglich um Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei können je nach Anwendung für die Realisierung der Erfindung sämtliche in diesem Zusammenhang offenbarten Merkmale sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander relevant sein. Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung sowie den Ansprüchen stets von einer einem wippen- bzw. trampolinförmigen Sensor als Opferschicht dienenden Abstandsschicht die Rede ist, ist es für den Fachmann verständlich, dass das erfinderische Konzept grundsätzlich zum Dämpfen unerwünschter Bewegungen jedes geeigneten mikromechanischen Bauelements anwendbar ist. Auch soll die Erfindung nicht lediglich auf die hier gezeigten Ausführungsformen eingeschränkt sein. Es ist vielmehr im Sinne der Erfindung, die Anzahl, die Anordnung und die Dimensionierung der einzelnen Dämpfungsstrukturen zu variieren, um eine den Anforderungen der jeweiligen Anwendung entsprechende Dämpfungswirkung der Dämpfungseinrichtungen zu erreichen.
