DE102011006397B4

DE102011006397B4 - Mikromechanisches Bauelement mit einer Verhakungsstruktur

Info

Publication number: DE102011006397B4
Application number: DE102011006397.8A
Authority: DE
Inventors: Odd-Axel Pruetz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: DE102011006397A1

Abstract

Mikromechanisches Bauelement (101, 102, 103, 104, 105), aufweisend ein Substrat (100), eine bewegliche Masse (120) und eine Federstruktur (130, 170, 171), über welche die bewegliche Masse (120) auslenkbar an dem Substrat (100) aufgehängt ist, gekennzeichnet durch eine Verhakungsstruktur (140, 150, 160) aus wenigstens zwei unabhängig von dem Substrat (100) elektrisch miteinander verbundenen Strukturelementen (141, 142, 151, 152, 161, 162, 163), welche ausgebildet sind, bei einer Auslenkung der beweglichen Masse (120) miteinander zu verhaken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, aufweisend ein Substrat, eine bewegliche Masse und eine Federstruktur, über welche die bewegliche Masse auslenkbar an dem Substrat aufgehängt ist.
Stand der Technik
Mikromechanische Bauelemente wie zum Beispiel im Automobilbereich eingesetzte Inertialsensoren weisen üblicherweise eine bewegliche Masse auf, welche über Federstrukturen auslenkbar an einem Substrat aufgehängt ist. Um bei derartigen Bauelementen, insbesondere bei lateral beweglichen Beschleunigungs- oder Drehratensensoren, im Falle einer Überlast mechanische Beschädigungen zu vermeiden, werden häufig feste oder federnde Anschlagsstrukturen verwendet, welche auf den betreffenden Sensorsubstraten angeordnet sind. Mit Hilfe der Anschlagsstrukturen kann eine Auslenkung der beweglichen Masse begrenzt werden.
Da die bewegliche Masse und die zugehörigen Anschlagsstrukturen bei einem Anschlagsvorgang kurzgeschlossen werden, ist vorgesehen, dass diese Komponenten auf gleichem elektrischen Potential liegen, um negative Effekte wie Entladungsvorgänge und elektrische Überschläge zu vermeiden. Die dafür erforderliche elektrische Verbindung bzw. Verdrahtung ist jedoch platzaufwändig, und engt darüber hinaus anderweitige Designfreiheiten ein.
Im Bereich der Beschleunigungssensorik gibt es ferner Bestrebungen, ein Erfassen von Beschleunigungen aus unterschiedlichen Beschleunigungsbereichen durch einen einzelnen Sensorchip zu ermöglichen. Ein Ansatz besteht darin, mehrere mikromechanische Sensor- bzw. Chipkerne mit jeweils einer beweglichen Masse auf einem gemeinsamen Substrat anzuordnen, beispielsweise in Form einer Kombination eines Nieder-g- und eines Hoch-g-Sensors. Hierbei kann vorgesehen sein, den Nieder-g-Sensor in einem niedrigen Beschleunigungsbereich auszuwerten, und bei Überschreiten einer gewissen Beschleunigungsschwelle (spätestens beim mechanischen Anschlagen der beweglichen Masse des Nieder-g-Sensors) den Hoch-g-Sensor zu aktivieren. Nachteilig an einem solchen Konzept ist jedoch, dass eine Ausgestaltung mit mehreren Sensorkernen relativ aufwändig ist, und mit einem (weiteren) großen Platzbedarf verbunden ist.
Aus der DE 10 2007 013 102 A1 ist eine mikromechanische Schaltervorrichtung zum Schalten einer HF-Signalleitung mit einem Schaltteil bekannt. Das Schaltteil überbrückt im geschlossenen Zustand zwei Elektroden und ermöglicht einen Stromfluss entlang der HF-Signalleitung. Das Schaltteil wird gemäß einem Ausführungsbeispiel über zwei miteinander gekoppelte Antriebe geöffnet oder geschlossen. Weiterer Stand der Technik ist aus DE 101 18 340 A1 und DE 198 13 941 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement anzugeben, bei welchem sich insbesondere ein mechanischer Anschlag einer beweglichen Masse platzgünstiger verwirklichen lässt.
Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen, welches ein Substrat, eine bewegliche Masse und eine Federstruktur aufweist. Die bewegliche Masse ist über die Federstruktur auslenkbar an dem Substrat aufgehängt. Das mikromechanische Bauelement zeichnet sich durch eine Verhakungsstruktur aus wenigstens zwei unabhängig von dem Substrat elektrisch miteinander verbundenen Strukturelementen aus, welche ausgebildet sind, bei einer Auslenkung der beweglichen Masse miteinander zu verhaken.
Durch die Verhakungsstruktur, bei welcher die zugehörigen Strukturelemente ab einer bestimmten Größe der Auslenkung der beweglichen Masse in einen Verhakungseingriff gelangen können, kann ein mechanischer (Überlast-)Anschlag bereitgestellt werden. Eine solche Verhakungsstruktur kann derart verwirklicht sein, dass die Strukturelemente unabhängig von dem Substrat (elektrisch) miteinander verbunden sind, und sich daher auf gleichem elektrischen Potential befinden. Dadurch treten beim Anschlagen bzw. Verhaken der Strukturelemente keine negativen Effekte wie Entladungsvorgänge oder elektrische Überschläge auf. Eine aufwändige elektrische Kontaktierung bzw. Verdrahtung, wie sie bei herkömmlichen Anschlagsstrukturen zum Einsatz kommt, ist hierbei nicht erforderlich. Durch das Vorsehen der Verhakungsstruktur wird daher eine Platzersparnis, und infolgedessen auch eine Kostenersparnis ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements ist die Verhakungsstruktur an bzw. innerhalb der Federstruktur angeordnet. Hierbei können die Strukturelemente der Verhakungsstruktur über die Federstruktur bzw. Teilbereiche der Federstruktur miteinander verbunden sein, und sich infolgedessen auf gleichem elektrischen Potential befinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, welche in diesem Zusammenhang in Betracht kommen kann, ist vorgesehen, dass die Federstruktur und die Verhakungsstruktur derart ausgebildet sind, dass die Federstruktur bei einem Auslenken der beweglichen Masse, bei welchem die Strukturelemente der Verhakungsstruktur (noch) voneinander beabstandet und (noch) nicht miteinander verhakt sind, ein erstes Elastizitätsverhalten aufweist, und dass die Federstruktur bei einem (weiteren) Auslenken der beweglichen Masse, bei welchem die Strukturelemente der Verhakungsstruktur miteinander verhakt sind, ein sich von dem ersten Elastizitätsverhalten unterscheidendes zweites Elastizitätsverhalten aufweist. Eine solche Eigenschaft ermöglicht einen federnden Anschlag beim Auslenken der beweglichen Masse. Hierdurch ist es möglich, dass sich ein Anschlagsvorgang relativ schonend und weich ausführen lässt, wodurch das Auftreten von Beschädigungen oder Strukturbrüchen im Überlastfall weitgehend vermieden werden kann. Darüber hinaus ist die Möglichkeit gegeben, das Vorliegen unterschiedlicher Federelastizitäten dazu einzusetzen, um mit Hilfe ein und derselben beweglichen Masse Beschleunigungen aus unterschiedlichen Beschleunigungsbereichen zu erfassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verhakungsstruktur außerhalb der Federstruktur angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein relativ harter mechanischer Anschlag der beweglichen Masse ab einem Verhaken der Strukturelemente der Verhakungsstruktur ermöglicht werden, was abhängig von der jeweiligen Anwendung ebenfalls von Vorteil sein kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verhakungsstruktur zwei hakenförmige und einander teilweise umschließende Strukturelemente. Eine solche Verhakungsstruktur kann relativ platzsparend verwirklicht werden.
In einer hierzu alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verhakungsstruktur ein T-förmiges Strukturelement und zwei hakenförmige und das T-förmige Strukturelement teilweise umschließende hakenförmige Strukturelemente. Eine solche Verhakungsstruktur kann sich durch eine hohe Robustheit, und infolgedessen durch eine geringe Bruchgefahr auszeichnen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Federstruktur U-förmig ausgebildet. Alternativ ist es auch möglich, dass die Federstruktur S-förmig ausgebildet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das mikromechanische Bauelement eine Anzahl aus mehreren miteinander verbundenen Federstrukturen auf. Durch eine solche Kaskadierung von Federstrukturen kann gegebenenfalls eine relativ hohe Federelastizität zur Verfügung gestellt werden.
In diesem Zusammenhang ist ferner vorzugsweise vorgesehen, dass an jeder Federstruktur der Anzahl aus miteinander verbundenen Federstrukturen jeweils eine Verhakungsstruktur angeordnet ist. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, dass die Anzahl der miteinander verbundenen Federstrukturen (abhängig von dem jeweiligen „Verhakungszustand“ der einzelnen Verhakungsstrukturen) mehrere unterschiedliche Federelastizitäten aufweist. Dies kann dazu eingesetzt werden, um mit Hilfe ein und derselben beweglichen Masse Beschleunigungen aus mehreren unterschiedlichen Beschleunigungsbereichen erfassen zu können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Aufsichtsdarstellung eines mikromechanischen Bauelements im Bereich von einer Federstruktur, wobei die Federstruktur mit einer beweglichen Masse verbunden ist und eine Verhakungsstruktur an der Federstruktur angeordnet ist;
2 eine schematische Aufsichtsdarstellung eines weiteren mikromechanischen Bauelements im Bereich von einer Federstruktur, wobei eine Verhakungsstruktur außerhalb der Federstruktur angeordnet ist;
3 eine schematische Aufsichtsdarstellung einer weiteren Verhakungsstruktur;
4 eine schematische Aufsichtsdarstellung eines weiteren mikromechanischen Bauelements im Bereich einer Federaufhängung aus mehreren miteinander verbundenen Federstrukturen, an welchen jeweils Verhakungsstrukturen vorgesehen sind; und
5 und 6 schematische Aufsichtsdarstellungen von weiteren mikromechanischen Bauelementen im Bereich von deren Federstrukturen.

Anhand der folgenden schematischen Figuren werden Ausführungsformen von mikromechanischen Bauelementen beschrieben, welche ein (Silizium- bzw. Halbleiter-)Substrat 100 und eine über elastische Federstrukturen 130, 170, 171 an dem Substrat 100 aufgehängte bewegliche Masse 120 aufweisen. Die Federstrukturen 130, 170, 171 sind mit einer Verankerung 110 verbunden, welche direkt auf dem Substrat 100 bzw. auf einer Oberfläche des Substrats 100 angeordnet ist. Die bewegliche Masse 120, welche auch als seismische Masse 120 bezeichnet wird, ist dadurch lateral gegenüber dem Substrat 100 auslenkbar, d.h. dass die bewegliche Masse 120 in einer Ebene parallel zur Substratoberfläche ausgelenkt werden kann.
Bei den mikromechanischen Bauelementen kann es sich zum Beispiel um im Automobilbereich einsetzbare Inertialsensoren, insbesondere um lateral bewegliche Beschleunigungs- oder Drehratensensoren handeln. Alternativ können die hier beschriebenen mikromechanischen Bauelemente auch für andere Gebiete und Anwendungen, zum Beispiel im „Consumer-Electronics“-Bereich, beispielsweise bei Mobiltelefonen, zum Einsatz kommen. Bei einer Ausgestaltung als Beschleunigungssensor wird ausgenutzt, dass eine auf das Substrat 100 einwirkende Beschleunigung eine laterale Auslenkung der beweglichen Masse 120 gegenüber dem Substrat 100 zur Folge hat, was durch geeignete Messmethoden, zum Beispiel kapazitive bzw. differenzkapazitive Messmethoden, und mit entsprechenden Messstrukturen (nicht dargestellt) nachgewiesen werden kann. Für den Fall eines Drehratensensors kann vorgesehen sein, die bewegliche Masse 120 mit Hilfe von entsprechenden Anregungsstrukturen (nicht dargestellt) zu periodischen Schwingungen anzuregen. Eine Drehbewegung führt hierbei zu einer überlagerten Auslenkung der beweglichen Masse 120, was ebenfalls auf geeignete Weise mit entsprechenden Messstrukturen (nicht dargestellt) erfasst werden kann.
Die Aufsichtsdarstellungen veranschaulichen jeweils nur einen Ausschnitt eines mikromechanischen Bauelements im Bereich von einer einzelnen Federaufhängung. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Bauelemente an anderen Stellen noch weitere Federaufhängungen bzw. Federstrukturen 130, 170, 171 aufweisen können. Eine mögliche Ausgestaltung ist ein mikromechanisches Bauelement, welches (gleichartig aufgebaute) Federaufhängungen an entgegen gesetzten Seiten bzw. Randseiten einer seismischen Masse 120 besitzt. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass für die Herstellung der beschriebenen Bauelemente in der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik übliche Verfahrensprozesse wie zum Beispiel MEMS-Prozesse (Micro-Electro-Mechanical System) durchgeführt werden können, sowie übliche Materialien zum Einsatz kommen können, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird.
1 zeigt in einer schematischen Aufsichtsdarstellung einen Ausschnitt eines mikromechanisches Bauelements 101, welches ein Substrat 100, eine bewegliche Masse 120 und eine mit der beweglichen Masse 120 verbundene, U-förmige Federstruktur 130 aufweist. Die bewegliche Masse 120 und die Federstruktur 130 sind dabei in einem Abstand zu dem Substrat 100 bzw. zu einer Oberfläche des Substrats 100 angeordnet. Hierzu ist die Federstruktur 130 weiter mit einer Verankerung 110 („Festanbindung“) verbunden, welche auf dem Substrat 100 bzw. auf der Substratoberfläche angeordnet ist. Wie bereits oben angedeutet wurde, kann das mikromechanische Bauelement 101 an (wenigstens) einer anderen Stelle (insbesondere entgegen gesetzte Randseite der beweglichen Masse 120) eine weitere Federaufhängung aufweisen, welche wie die in 1 gezeigte Federaufhängung aufgebaut sein kann.
Die U-förmige Federstruktur 130 umfasst zwei parallel zueinander verlaufende Schenkel 131, 132, welche an einem Ende über einen mittigen Abschnitt 133, auch als „Federende“ bezeichnet, miteinander verbunden sind. An einem anderen Ende sind die Federschenkel 131, 132 über entsprechende Verbindungsabschnitte 135, im Folgenden auch als Federanbindung(en) 135 bezeichnet, mit der beweglichen Masse 120 und mit der Verankerung 110 verbunden.
In 1 ist ferner anhand eines Pfeils A eine mit Hilfe der flexiblen Federstruktur 130 (sowie wenigstens einer weiteren Federaufhängung) ermöglichte laterale Auslenkung der beweglichen Masse 120 angedeutet, bei welcher die bewegliche Masse 120 in einer Ebene parallel zur Substratoberfläche von der Verankerung 110 wegbewegt wird. Bei einer solchen Auslenkung kann die Federstruktur 130 ausgehend von dem in 1 gezeigten, nicht ausgelenkten Zustand (Ausgangs- oder Ruhestellung) auseinander gebogen werden. Möglich ist auch eine laterale Bewegung der beweglichen Masse 120 in einer hierzu entgegen gesetzten Richtung bzw. auf die Verankerung 110 zu, wobei die Federstruktur 130 entsprechend zusammengedrückt bzw. -gestaucht wird.
Das mikromechanische Bauelement 101 weist des Weiteren eine Verhakungsstruktur 140 auf, wie in 1 dargestellt ist. Die Verhakungsstruktur 140, welche an bzw. innerhalb der Federstruktur 130 angeordnet ist, kann zum Begrenzen einer Auslenkung der beweglichen Masse 120 bzw. zum Bereitstellen eines mechanischen (Überlast-)Anschlags eingesetzt werden. Auf diese Weise kann eine mechanische Beschädigung bzw. ein Strukturbruch des mikromechanischen Bauelements 101, insbesondere eine Beschädigung bzw. ein Brechen der Federstruktur 130, und eine hiermit gegebenenfalls verbundene und eine Funktionsweise des Bauelements 101 beeinträchtigende Partikelbildung vermieden werden.
Die in der Federstruktur 130 integrierte Verhakungsstruktur 140 weist einen platzsparenden Aufbau mit zwei hakenförmigen und einander teilweise umschließenden bzw. ineinander eingreifenden Strukturelementen 141, 142 auf, wobei das Strukturelement 141 mit dem Federschenkel 131, und das weitere Strukturelement 142 mit dem anderen Federschenkel 132 verbunden ist. Jedes der beiden Strukturelemente 141, 142 umfasst einen sich senkrecht von dem jeweiligen Federschenkel 131, 132 erstreckenden Befestigungsabschnitt und einen senkrecht hieran angeformten, U-förmigen Abschnitt. Dabei sind die U-förmigen Abschnitte der beiden Strukturelemente 141, 142 zueinander symmetrisch und ineinander greifend ausgebildet. In der in 1 gezeigten, nicht ausgelenkten Ausgangsstellung der beweglichen Masse 120 sind die beiden Strukturelemente 141, 142 der Verhakungsstruktur 140 voneinander beabstandet.
Bei einem Auslenken der beweglichen Masse 120 in Richtung des Pfeils A können die beiden Federschenkel 131, 132 der Federstruktur 130 über eine Federlänge L1 aufgebogen werden. Die Federlänge L1 entspricht, wie in 1 angedeutet ist, einem Abstand zwischen dem Abschnitt 133 und einer Federanbindung 135. Ab einer bestimmten Größe der Auslenkung können die beiden Strukturelemente 141, 142 der Verhakungsstruktur 140 in einen Berührkontakt gelangen bzw. miteinander verhaken (nicht dargestellt). Dies hat zur Folge, dass ein weiteres Aufbiegen der Federschenkel 131, 132 der Federstruktur 130 im Wesentlichen nur noch über eine gegenüber der Federlänge L1 verkürzte Federlänge bzw. „Restfederlänge“ L2 möglich ist. Die Federlänge L2 entspricht einem Abstand zwischen der Befestigungsstelle eines Strukturelements 141, 142 an einem Federschenkel 131, 132 und einer Federanbindung 135, wie in 1 gezeigt ist. Das Verhaken der beiden Strukturelemente 141, 142 der Verhakungsstruktur 140 hat daher zur Folge, dass sich die effektive Federlänge der gesamten Federstruktur 130 verkürzt, und damit die Federelastizität der Federstruktur 130 abnimmt bzw. deren Steifigkeit (stark) ansteigt.
Die Federstruktur 130 weist folglich bei einem Auslenken der beweglichen Masse 120, bei welchem die Strukturelemente 141, 142 der Verhakungsstruktur 140 (noch) voneinander beabstandet und (noch) nicht miteinander verhakt sind, ein erstes („weiches“) Elastizitätsverhalten auf. Bei einem (weiteren) Auslenken der beweglichen Masse 120, bei welchem die Strukturelemente 141, 142 der Verhakungsstruktur 140 miteinander verhakt sind, weist die Federstruktur 130 hingegen ein sich von dem ersten Elastizitätsverhalten unterscheidendes zweites („hartes“) Elastizitätsverhalten mit einer geringeren Federelastizität auf.
Die von der Auslenkung der beweglichen Masse 120 abhängige, unterschiedliche Federelastizität ermöglicht es, einen federnden Anschlag für die bewegliche Masse 120 zur Verfügung zu stellen. Die Federstruktur 130 und die Verhakungsstruktur 140 können hierbei derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sein, dass der Verhakungseingriff zwischen den Strukturelementen 141, 142 der Verhakungsstruktur 140 lediglich bei oder vor einer Überlastbeanspruchung auftritt, um ab dem Verhaken der Strukturelemente 141, 142 einem weiteren Auslenken der beweglichen Masse 120 (federnd) entgegenzuwirken. Durch ein solches federndes Anschlagen bzw. Begrenzen der Auslenkung der beweglichen Masse 120 kann das Auftreten von Beschädigungen und Strukturbrüchen zuverlässig verhindert werden. Insbesondere kann ein relativ schonender Anschlagsvorgang ermöglicht werden.
Die auslenkungsabhängig unterschiedlichen Federelastizitäten bzw. Federkonstanten der Federstruktur 130 können durch eine entsprechende Positionierung der Verhakungsstruktur 140 entlang der beiden Federschenkel 131, 132 festgelegt werden. Dies ist in 1 anhand der Pfeile P angedeutet. Insbesondere ist es möglich, durch die Position P die Federlänge L2, und damit die „Härte“ der ab dem Verhakungseingriff der Strukturelemente 141, 142 vorliegenden „Restfeder“ stufenlos zu dosieren bzw. einzustellen. Bei einer Positionierung nahe der Federenden bzw. des mittigen Abschnitt 133 ist der Federungsanteil höher bzw. ist der federnde Anschlag „weicher“. Bei Positionierung nahe der Federanbindungen 135 wird der Anschlag hingegen entsprechend „härter“.
Bei der Verhakungsstruktur 140 sind die Strukturelemente 141, 142 über die Federstruktur 130 bzw. Teilbereiche der Federstruktur 130 miteinander verbunden, wodurch sich die Strukturelemente 141, 142 auf gleichem elektrischen Potential befinden, bzw. keine Potentialdifferenz zwischen den beiden Strukturelementen 141, 142 vorliegt. Dadurch treten beim Verhaken der Strukturelemente 141, 142 keine negativen Effekte wie Entladungsvorgänge oder elektrische Überschläge auf. Eine aufwändige Verdrahtung, wie sie bei herkömmlichen Anschlagsstrukturen zum Einsatz kommt, ist hierbei nicht erforderlich, wodurch die gezeigte Federaufhängung relativ platzgünstig, und daher auch kostengünstig verwirklicht sein kann.
Die in 1 gezeigte Verhakungsstruktur 140 ermöglicht einen mechanischen bzw. federnden Anschlag nicht nur bei der in 1 anhand des Pfeils A angedeuteten Auslenkung, bei welcher die bewegliche Masse 120 von der Verankerung 110 weg bewegt wird. Aufgrund der U-förmigen und ineinander greifend ausgebildeten Strukturelemente 141, 142 kann erzielt werden, dass die Strukturelemente 141, 142 auch bei einer Auslenkung der beweglichen Masse 120 in einer hierzu entgegen gesetzten Richtung, d.h. auf die Verankerung 110 zu, ab einer bestimmten Größe der Auslenkung aneinander angrenzen bzw. anschlagen können. Dies ist wie bei dem oben beschriebenen Verhakungseingriff der Strukturelemente 141, 142 mit einer Verkürzung der effektiven Federlänge der Federstruktur 130, und damit mit einer Änderung (Verringerung) der Elastizität bzw. einem Anstieg der Steifigkeit der Federstruktur 130 verbunden. Daher können die Strukturelemente 141, 142 auch bei solchen Auslenkungen der beweglichen Masse 120 einen federnden Anschlag, und infolgedessen einen relativ schonenden Anschlagsvorgang bewirken. Für weitere Details hierzu wird auf die obigen Ausführungen verwiesen, welche auch bei solchen Auslenkungen analog zutreffen.
In diesem Zusammenhang wird (nochmals) darauf hingewiesen, dass das mikromechanische Bauelement 101 an (wenigstens) einer anderen Stelle (insbesondere entgegen gesetzte Randseite der beweglichen Masse 120) eine weitere Federstruktur 130 aufweisen kann, welche wie die in 1 gezeigte Federaufhängung aufgebaut, und ebenfalls mit einer Verhakungsstruktur 140 versehen sein kann. Bei einer Auslenkung der beweglichen Masse 120 kann daher eine Federstruktur 130 auseinandergebogen werden, wohingegen eine andere Federstruktur 130 zusammengedrückt wird. Die an den Federstrukturen 130 angeordneten Verhakungsstrukturen 140 können hierbei derart ausgebildet sein, dass ein Verhaken bzw. Anschlagen der zugehörigen Strukturelemente 141, 142 (im Wesentlichen) gleichzeitig auftritt.
Neben dem Bereitstellen eines federnden Anschlags kann das mit der Verhakungsstruktur 140 ermöglichte, auslenkungsabhängig variable Elastizitätsverhalten der Federstruktur 130 dazu eingesetzt werden, um mit Hilfe ein und derselben beweglichen Masse 120 Beschleunigungen aus zwei unterschiedlichen Beschleunigungsbereichen erfassen zu können. Das mikromechanische Bauelement 101, welches hierbei in Form eines Beschleunigungssensors ausgebildet ist, weist zu diesem Zweck eine geeignete, nicht dargestellte (zum Beispiel kapazitiv arbeitende) Messstruktur auf, welche sowohl (geringe) Auslenkungen der beweglichen Masse 120 im nicht verhakten bzw. angeschlagenen Zustand der Strukturelemente 141, 142, als auch größere Auslenkungen im verhakten bzw. angeschlagenen Zustand der Strukturelemente 141, 142 erfassen kann. Der erstgenannte Zustand bezieht sich auf Beschleunigungen eines ersten bzw. niedrigen Beschleunigungsbereichs („Nieder-g-Bereich“), und der zweite Zustand auf Beschleunigungen eines zweiten bzw. höheren Beschleunigungsbereichs („Hoch-g-Bereich“). Bei einer Auswertung der mit Hilfe der Messstruktur erfassten Auslenkung der beweglichen Masse 120 kann insbesondere das auslenkungsabhängig variable Elastizitätsverhalten der Federstruktur 130 ausgenutzt werden, um eine Auslenkung (bzw. ein zugehöriges Messsignal) zuverlässig einem Beschleunigungsbereich zuordnen zu können. Beispielsweise kann ausgenutzt werden, dass sich die Änderung der Federelastizität als charakteristischer „Knick“ in einer Messkurve zeigt.
Ungeachtet des mit dem Einsatz der Verhakungsstruktur 140 ermöglichten Platzvorteils kann vorgesehen sein, auch bei dem mikromechanischen Bauelement 101 (sowie bei den im Folgenden beschriebenen Bauelementen) zusätzlich eine oder mehrere andere bzw. herkömmliche Anschlagsstrukturen vorzusehen (nicht dargestellt). Diese können dazu dienen, Auslenkungen der beweglichen Masse 120 im eingehängten bzw. angeschlagenen Zustand der Verhakungsstruktur 140 zusätzlich ab einer bestimmten Größe der Auslenkung zum Verhindern von Beschädigungen oder Strukturbrüchen zu begrenzen, und infolgedessen einen weiteren oder „finalen“ Anschlag zur Verfügung zu stellen. Dies kann insbesondere dann in Betracht kommen, wenn das Bauelement 101 wie vorstehend beschrieben zum Erfassen von Beschleunigungen aus unterschiedlichen Beschleunigungsbereichen ausgebildet ist.
Anhand der folgenden Figuren werden weitere mikromechanische Bauelemente beschrieben, welche einen ähnlichen oder vergleichbaren Aufbau wie das in 1 gezeigte mikromechanische Bauelement 101 aufweisen. Im Hinblick auf bereits beschriebene Details, welche sich auf gleichartige oder übereinstimmende Komponenten, einen Auslenkungs- bzw. Anschlagsvorgang, mögliche Vorteile usw. beziehen, wird daher auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen.
2 zeigt in einer schematischen Aufsichtsdarstellung einen Ausschnitt eines weiteren mikromechanischen Bauelements 102, welches ein Substrat 100, eine bewegliche Masse 120, eine U-förmige Federstruktur 130 und eine Verankerung 110 aufweist. Die U-förmige Federstruktur 130 umfasst zwei parallel zueinander verlaufende Federschenkel 131, 132, einen mittigen Abschnitt 133, und ist über Federanbindungen 135 mit der beweglichen Masse 120 und mit der Verankerung 110 verbunden. Durch die Federstruktur 130 (sowie wenigstens eine weitere nicht gezeigte und gegebenenfalls gleich aufgebaute Federaufhängung) kann die bewegliche Masse 120 lateral ausgelenkt werden. Dabei ist (erneut) ein Auslenken sowohl in einer Richtung weg von der Verankerung 110 als auch in einer Richtung auf die Verankerung 110 zu möglich.
Das mikromechanische Bauelement 102 weist des Weiteren eine Verhakungsstruktur 150 mit zwei hakenförmigen und einander teilweise umschließenden Strukturelementen 151, 152 auf, mit deren Hilfe eine Auslenkung der beweglichen Masse 120 begrenzt bzw. ein mechanischer (Überlast-)Anschlag zur Verfügung gestellt werden kann. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Verhakungsstruktur 150 jedoch nicht an bzw. innerhalb der Federstruktur 130, sondern außerhalb derselben vorgesehen. Hierbei sind die Strukturelemente 151, 152 an der beweglichen Masse 120 und an der Verankerung 110 angeordnet. Auch bei dieser Ausgestaltung besteht eine elektrische Verbindung zwischen den Strukturelemente 151, 152 (in diesem Fall über die Verankerung 110, die Federanbindungen 135, die Federstruktur 130 und die seismische Masse 120), so dass sich die Strukturelemente 151, 152 erneut auf gleichem elektrischen Potential befinden.
Die beiden Strukturelemente 151, 152 der Verhakungsstruktur 150 besitzen eine L-förmige Gestalt, und sind zueinander symmetrisch bzw. einander teilweise umgreifend ausgebildet. Jedes Strukturelement umfasst einen mit der beweglichen Masse 120 bzw. mit der Verankerung 110 verbundenen, länglichen und zu den Federschenkeln 131, 132 der Federstruktur 130 senkrecht verlaufenden Abschnitt, und einen am Ende des länglichen Abschnitts sich senkrecht hiervon erstreckenden weiteren Abschnitt. In der in 2 gezeigten, nicht ausgelenkten Ausgangsstellung der beweglichen Masse 120 sind die beiden Strukturelemente 151, 152 der Verhakungsstruktur 150 voneinander beabstandet.
Bei einem Auslenken der beweglichen Masse 120 in einer Richtung weg von der Verankerung 110 können die beiden Strukturelemente 151, 152 der Verhakungsstruktur 150 ab einer bestimmten Größe der Auslenkung in einen Berührkontakt gelangen bzw. miteinander verhaken, wodurch ein darüber hinausgehendes Auslenken der beweglichen Masse 120 (im Wesentlichen) verhindert, bzw. lediglich über die Verhakungsstruktur 150 selbst abgefedert wird. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Verhakungsstruktur 140 kann durch die außerhalb der Federstruktur 130 angeordnete Verhakungsstruktur 150 daher ein relativ harter mechanischer Anschlag der beweglichen Masse 120 mit maximaler Abfederungs-Härte ermöglicht werden.
Ein weiterer Unterschied zu der Verhakungsstruktur 140 von 1 besteht darin, dass die Strukturelemente 151, 152 der Verhakungsstruktur 150 ein Anschlagen lediglich bei der vorstehend beschriebenen Auslenkung der beweglichen Masse 120, d.h. in einer Richtung weg von der Verankerung 110, ermöglichen. Ein Anschlagen bei einer Auslenkung in der entgegen gesetzten Richtung, d.h. auf die Verankerung 110 zu, kann jedoch mit Hilfe von (wenigstens) einer weiteren Verhakungsstruktur erfolgen, welche einen Aufbau wie die Verhakungsstruktur 150 aufweisen kann, und welche an einer anderen Stelle (zum Beispiel entgegen gesetzte Randseite der beweglichen Masse 120) im Bereich einer bzw. außerhalb einer anderen Federaufhängung angeordnet sein kann.
Im Hinblick auf das mikromechanische Bauelement 102 von 2 ist die Möglichkeit gegeben, die gezeigte Verhakungsstruktur 150 durch eine Verhakungsstruktur zu ersetzen, welche ebenfalls außerhalb der Federstruktur 130 angeordnet ist und einen Aufbau vergleichbar zu der Verhakungsstruktur 140 von 1 umfasst. In gleicher Weise ist es möglich, das mikromechanische Bauelement 101 von 1 derart abzuwandeln, dass an bzw. innerhalb der Federstruktur 130 anstelle der Verhakungsstruktur 140 eine zu der Verhakungsstruktur 150 von 2 vergleichbare Verhakungsstruktur mit L-förmigen Strukturelementen vorgesehen ist.
Eine weitere mögliche Variante ist eine Kombination von außerhalb und innerhalb einer Federstruktur angeordneten Verhakungsstrukturen, wobei vorgesehen sein kann, dass bei einem Auslenken der zugehörigen beweglichen Masse 120 die „innere“ Verhakungsstruktur vor der „äußeren“ Verhakungsstruktur anschlägt, wodurch die „äußere“ Verhakungsstruktur als „finaler“ Anschlag fungieren kann. Beispielsweise kann das Bauelement 101 von 1 derart abgeändert werden, dass eine zusätzliche Verhakungsstruktur 150 außerhalb der Federstruktur 130 mit an der beweglichen Masse 120 und an der Verankerung 110 angeordneten L-förmigen Strukturelementen 151, 152 angeordnet ist, um einen „finalen“ Anschlag zu bewirken.
Anstelle eine Verhakungsstruktur mit lediglich zwei hakenförmigen und einander teilweise umschließenden Strukturelementen 141, 142 bzw. 151, 152 auszubilden, kann eine Verhakungsstruktur auch anderweitig aufgebaut sein, bzw. eine andere Anzahl an Strukturelementen umfassen.
Zur beispielhaften Veranschaulichung zeigt 3 eine schematische Aufsichtsdarstellung einer weiteren Verhakungsstruktur 160, welche ebenfalls an einem mikromechanischen Bauelement, insbesondere an einem der anhand der Figuren beschriebenen Bauelemente, zum Begrenzen von Auslenkungen einer beweglichen Masse 120 bzw. zum Bereitstellen eines mechanischen Anschlags zum Einsatz kommen kann. Dabei ist erneut die Möglichkeit gegeben, die Verhakungsstruktur 160 an oder außerhalb einer Federstruktur des betreffenden Bauelements anzuordnen.
Die Verhakungsstruktur 160 weist ein T-förmiges Strukturelement 163 auf, welches von zwei hakenförmigen Strukturelementen 161, 162 teilweise umschlossen ist. Die Strukturelemente 161, 162 besitzen eine Form vergleichbar zu den Strukturelementen 141, 142 der Verhakungsstruktur 140 von 1. Entsprechend der Verhakungsstruktur 140 ist die Verhakungsstruktur 160 ebenfalls dazu geeignet, um Auslenkungen einer beweglichen Masse in unterschiedlichen bzw. einander entgegen gesetzten Richtungen begrenzen zu können. Die aus den drei Strukturelementen 161, 162, 163 aufgebaute Verhakungsstruktur 160 nimmt zwar gegebenenfalls einen größeren Platz in Anspruch als eine Verhakungsstruktur aus zwei Strukturelementen, kann sich jedoch auch durch eine hohe Robustheit, und infolgedessen durch eine geringe Bruchgefahr auszeichnen.
4 zeigt in einer schematischen Aufsichtsdarstellung einen Ausschnitt eines weiteren mikromechanischen Bauelements 103, welches ein Substrat 100 und eine an dem Substrat 100 auslenkbar aufgehängte bewegliche Masse 120 umfasst. Das Bauelement 103 weist eine Anzahl aus zwei oder mehr miteinander verbundenen, der bereits oben beschriebenen U-förmigen Federstrukturen 130 auf. Die mehreren Federstrukturen 130, von denen in 4 lediglich zwei dargestellt sind, sind untereinander über die an den Enden der Federschenkel 131, 132 vorgesehen Federanbindungen 135 miteinander verbunden bzw. teilen sich eine gemeinsame Federanbindung 135. Über Federanbindungen 135 sind zwei (außen liegende) Federschenkel 131, 132 ferner mit der beweglichen Masse 120 und mit einer Verankerung 110 verbunden. Durch die Federstrukturen 130 (sowie wenigstens eine weitere nicht gezeigte und gegebenenfalls gleich aufgebaute Federaufhängung) kann die bewegliche Masse 120 lateral ausgelenkt werden, wobei ein Auslenken sowohl in einer Richtung weg von der Verankerung 110 als auch in einer Richtung auf die Verankerung 110 zu möglich ist.
Darüber hinaus ist bei dem in 4 gezeigten mikromechanischen Bauelement 103 an jeder Federstruktur 130 der Anzahl aus miteinander verbundenen Federstrukturen 130 jeweils eine Verhakungsstruktur 140 angeordnet. Jede Verhakungsstruktur 140 besitzt den anhand von 1 beschriebenen Aufbau mit zwei hakenförmigen und einander teilweise umschließenden bzw. ineinander eingreifende Strukturelementen 141, 142, welche an den Schenkeln 131, 132 der Federstrukturen 130 angeordnet sind.
Der kaskadierte Aufbau der Federaufhängung des mikromechanischen Bauelements 103 bietet die Möglichkeit, mehrere (d.h. mehr als zwei) unterschiedliche Elastizitätsverhalten bzw. Federkonstanten zur Verfügung zu stellen. Bei einer Ausgestaltung mit n Federstrukturen 130 und n Verhakungsstrukturen 140 können entsprechend n+1 Elastizitätsverhalten ermöglicht werden. Zu diesem Zweck kann insbesondere, wie in 4 dargestellt ist, eine zueinander versetzte Positionierung P der Verhakungsstrukturen 140 an den Federschenkeln 131, 132 vorgesehen sein. Hierdurch kann ein Anschlagen bzw. Verhaken der einzelnen Verhakungsstrukturen 140 bei unterschiedlichen Größen einer Auslenkung der beweglichen Masse 120 erfolgen, wodurch die Federaufhängung abhängig von dem jeweiligen „Verhakungszustand“ der einzelnen Verhakungsstrukturen 140 jeweils eine unterschiedliche Federelastizität aufweist. Bei einem Auslenken der beweglichen Masse 120 ausgehend von dem in 4 gezeigten Ausgangszustand kann die Federelastizität hierbei stufenweise verringert, bzw. die Steifigkeit stufenweise erhöht werden.
Bei dem mikromechanischen Bauelement 103 besteht die Möglichkeit, dass die mehreren miteinander verbundenen Federstrukturen 130 gegebenenfalls eine relativ hohe (Anfangs-)Elastizität zur Verfügung stellen, sofern keine der Verhakungsstrukturen 140 sich im Verhakungseingriff befindet. Die auslenkungsabhängig variable Federelastizität kann ferner dazu genutzt werden, um einen besonders schonenden Anschlagsvorgang zu ermöglichen.
Für den Fall einer Ausgestaltung des mikromechanischen Bauelements 103 als Beschleunigungssensor ist ferner die Möglichkeit gegeben, mit Hilfe ein und derselben beweglichen Masse 120 mehrere unterschiedliche Beschleunigungsbereiche abzudecken. Hierzu weist das mikromechanische Bauelement 103 eine geeignete, nicht dargestellte (zum Beispiel kapazitiv arbeitende) Messstruktur auf. Die Anzahl der erfassbaren Beschleunigungsbereiche stimmt hierbei mit der Anzahl unterschiedlicher Federelastizitäten überein. Wie bei dem oben anhand von 1 beschriebenen Bauelement 101 kann bei dem Bauelement 103 das variable Elastizitätsverhalten genutzt werden, um eine Auslenkung (bzw. ein zugehöriges Messsignal) zuverlässig einem Beschleunigungsbereich zuzuordnen. Beispielsweise kann ausgenutzt werden, dass sich die Änderung der Federelastizität jeweils als charakteristischer „Knick“ in einer Messkurve zeigt.
Anstelle von U-förmigen Federstrukturen können mikromechanische Bauelemente alternativ auch anders ausgestaltete Federstrukturen umfassen. Zur Veranschaulichung zeigt 5 in einer schematischen Aufsichtsdarstellung einen Ausschnitt eines weiteren mikromechanischen Bauelements 104, bei dem eine bewegliche Masse 120 mit einer S-förmigen Federstruktur 170 verbunden ist. Die Federstruktur 170 ist an den Enden über entsprechende Verbindungsabschnitte bzw. Federanbindungen 135 mit der beweglichen Masse 120 und mit einer auf einem Substrat 100 angeordneten Verankerung 110 verbunden. Durch die Federstruktur 170 (sowie wenigstens eine weitere nicht gezeigte und gegebenenfalls gleich aufgebaute Federaufhängung) kann die bewegliche Masse 120 lateral (d.h. weg von und auf die Verankerung 110 zu) ausgelenkt werden.
Die S-förmige Federstruktur 170 ist des Weiteren mit zwei integrierten Verhakungsstrukturen 150 versehen, welche jeweils den anhand von 2 beschriebenen Aufbau mit zwei haken- bzw. L-förmigen und einander teilweise umschließenden Strukturelementen 151, 152 aufweisen. Die Verhakungsstrukturen 150 sind dabei an U-förmigen Teilbereichen der Federstruktur 170 angeordnet, wobei die Strukturelemente 151, 152 an sich gegenüberliegenden Teilabschnitten bzw. Federschenkeln angeformt sind.
Bei einer solchen Ausgestaltung ist die Möglichkeit gegeben, dass die Federstruktur 170 abhängig von der Auslenkung der beweglichen Masse 120 (und dem jeweiligen „Verhakungszustand“ der einzelnen Verhakungsstrukturen 150) drei unterschiedliche Federelastizitäten aufweist. Die auslenkungsabhängig unterschiedlichen Federelastizitäten bzw. Federkonstanten der Federstruktur 170 können durch eine entsprechende Positionierung P der Verhakungsstrukturen 150 entlang der Federschenkel festgelegt werden. Auch auf diese Weise kann ein schonender Anschlagsvorgang zur Verfügung gestellt werden, sowie ist das Bauelement 104 dazu geeignet, um mit Hilfe ein und derselben beweglichen Masse 120 Beschleunigungen aus unterschiedlichen Beschleunigungsbereichen erfassen zu können.
Dies trifft in gleicher Weise auf das in 6 (ausschnittsweise) dargestellte mikromechanische Bauelement 105 zu, welches eine etwas anders gestaltete S-förmige Federstruktur 171 umfasst. Die Federstruktur 171 ist an den Enden über entsprechende Federanbindungen 135 mit einer beweglichen Masse 120 und mit einer auf einem Substrat 100 angeordneten Verankerung 110 verbunden. Im Unterschied zu der in 5 gezeigten Ausführungsform sind die Federanbindungen 135 hierbei versetzt zueinander positioniert. Für das Ermöglichen eines Anschlags bzw. Abdecken unterschiedlicher Beschleunigungsbereiche weist die S-förmige Federstruktur 171 erneut zwei integrierte Verhakungsstrukturen 150 auf, welche an U-förmigen Teilbereichen der Federstruktur 171 angeordnet sind.
Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Anstelle der beschriebenen Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen oder Kombinationen von Merkmalen umfassen können.
Beispielsweise kann das Bauelement 103 von 4 derart abgewandelt werden, dass anstelle der gezeigten Verhakungsstrukturen 140 Verhakungsstrukturen 150 mit L-förmigen Strukturelementen 151, 152 vorgesehen sind. In gleicher Weise können bei den Bauelementen 104, 105 der 5 und 6 anstelle der Verhakungsstrukturen 150 Verhakungsstrukturen 140 in Betracht kommen. Ferner ist eine Kaskadierung von Federstrukturen nicht auf die in 4 gezeigten U-förmigen Federstrukturen 130 beschränkt, sondern kann alternativ auch bei anderen, zum Beispiel den S-förmigen Federstrukturen 170, 171 der 5 und 6, in Betracht kommen.
Darüber hinaus ist die Möglichkeit gegeben, andere als die hier gezeigten und beschriebenen Verhakungsstrukturen auszubilden. Auch ist es möglich, andere Anzahlen an Verhakungsstrukturen an einer Federaufhängung bzw. an einer (einzelnen) Federstruktur vorzusehen. Beispielsweise ist es möglich, an einer U-förmigen Federstruktur 130 (zum Beispiel des Bauelements 101 von 1) entlang der Federschenkel 131, 132 bzw. zwischen den Federschenkeln 131, 132 eine Anzahl von nebeneinander angeordneten Verhakungsstrukturen auszubilden, wodurch vergleichbar zu der Ausgestaltung von 4 der betreffenden Federstruktur 130 mehr als zwei unterschiedliche Elastizitätsverhalten verliehen werden können.
Des weiteren können Federstrukturen mit integrierten Verhakungsstrukturen vorgesehen werden, welche von den hier gezeigten U-förmigen und S-förmigen Federstrukturen abweichende Formen aufweisen. In Betracht kommen insbesondere mäanderartig geformte Federstrukturen, bei welchen entsprechende Teilabschnitte (im Wesentlichen) parallel zueinander verlaufen bzw. gegenüber liegend angeordnet sind, so dass entsprechende Verhakungsstrukturen zwischen diesen Teilabschnitten vorgesehen werden können.

Claims

Mikromechanisches Bauelement (101, 102, 103, 104, 105), aufweisend ein Substrat (100), eine bewegliche Masse (120) und eine Federstruktur (130, 170, 171), über welche die bewegliche Masse (120) auslenkbar an dem Substrat (100) aufgehängt ist, gekennzeichnet durch eine Verhakungsstruktur (140, 150, 160) aus wenigstens zwei unabhängig von dem Substrat (100) elektrisch miteinander verbundenen Strukturelementen (141, 142, 151, 152, 161, 162, 163), welche ausgebildet sind, bei einer Auslenkung der beweglichen Masse (120) miteinander zu verhaken.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Verhakungsstruktur (140, 150) an der Federstruktur (130, 170, 171) angeordnet ist.
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Verhakungsstruktur (150) außerhalb der Federstruktur (130) angeordnet ist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federstruktur (130) und die Verhakungsstruktur (140) derart ausgebildet sind, dass die Federstruktur (130) bei einem Auslenken der beweglichen Masse (120), bei welchem die Strukturelemente (141, 142) der Verhakungsstruktur (140) voneinander beabstandet und nicht miteinander verhakt sind, ein erstes Elastizitätsverhalten aufweist, und dass die Federstruktur (130) bei einem Auslenken der beweglichen Masse (120), bei welchem die Strukturelemente (141, 142) der Verhakungsstruktur (140) miteinander verhakt sind, ein sich von dem ersten Elastizitätsverhalten unterscheidendes zweites Elastizitätsverhalten aufweist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verhakungsstruktur (140, 150) zwei hakenförmige und einander teilweise umschließende Strukturelemente (141, 142, 151, 152) umfasst.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verhakungsstruktur (160) ein T-förmiges Strukturelement (163) und zwei hakenförmige und das T-förmige Strukturelement (163) teilweise umschließende hakenförmige Strukturelemente (161, 162) umfasst.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federstruktur (130) U-förmig ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Federstruktur (170, 171) S-förmig ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Anzahl aus mehreren miteinander verbundenen Federstrukturen (130).
Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 9, wobei an jeder Federstruktur (130) der Anzahl aus miteinander verbundenen Federstrukturen (130) jeweils eine Verhakungsstruktur (140) angeordnet ist.