DE102011085023B4

DE102011085023B4 - Component and method for operating a component

Info

Publication number: DE102011085023B4
Application number: DE102011085023.6A
Authority: DE
Inventors: Odd-Axel Pruetz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2031-10-22
Also published as: DE102011085023A1

Abstract

Bauelement (1) aufweisend ein Substrat (2) und eine seismische Masse (3), wobei die seismische Masse (3) relativ zum Substrat (2) auslenkbar ausgebildet ist, wobei das Bauelement (1) einen Anschlag (5) zur Begrenzung einer maximalen Auslenkung der seismischen Masse (3) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (100) aufweist und wobei die seismische Masse (3) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (100) zwischen dem Substrat (2) und dem Anschlag (5) angeordnet ist, wobei das Bauelement (1) eine Elektrodenanordnung (4) aus Festelektroden (10) und entsprechenden Gegenelektroden (11) der seismischen Masse (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (5) die Elektrodenanordnung (4) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (100) vollständig überdeckt und der Anschlag (5) ferner zur Unterdrückung von auf die seismische Masse (3) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (100) wirkenden Levitationskräften konfiguriert ist.Component (1) comprising a substrate (2) and a seismic mass (3), the seismic mass (3) being designed to be deflectable relative to the substrate (2), the component (1) having a stop (5) for limiting a maximum Deflection of the seismic mass (3) perpendicular to the main extension plane (100) and wherein the seismic mass (3) is arranged perpendicular to the main extension plane (100) between the substrate (2) and the stop (5), wherein the component (1) Electrode arrangement (4) comprising fixed electrodes (10) and corresponding counter electrodes (11) of the seismic mass (3), characterized in that the stop (5) completely covers the electrode arrangement (4) perpendicular to the main extension plane (100) and the stop (5 ) is also configured to suppress levitation forces acting on the seismic mass (3) perpendicular to the main extension plane (100).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a component according to the preamble of claim 1.

Solche Bauelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift WO 2010 / 034 554 A1 ein z-Sensor bekannt, bei welchem mittels einer gegenüber einem Substrat des Sensors auslenkbaren Wippenstruktur eine Beschleunigung in z-Richtung, also senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats, detektierbar ist. Zur Vermeidung von Beschädigungen des Sensors wird mittels Anschlägen die Auslenkung der Wippenstruktur auf eine maximal mögliche Auslenkung begrenzt.Such components are generally known. For example, is from the publication WO 2010/034 554 A1 az sensor is known, in which an acceleration in the z direction, that is perpendicular to a main plane of extent of the substrate, can be detected by means of a rocker structure that can be deflected relative to a substrate of the sensor. To avoid damage to the sensor, the deflection of the rocker structure is limited to a maximum possible deflection by means of stops.

Ferner ist aus der Druckschrift DE 10 2008 054 749 A1 ein Drehratensensor mit zwei Coriolis-Elementen bekannt, welche mittels einer Kammelektrodenstruktur zu gegenphasigen Schwingungen relativ zum Substrat entlang einer Schwingungsrichtung anregbar sind. Wenn eine Drehrate um eine zur Schwingungsrichtung senkrechte Drehachse anliegt, wirken auf die Coriolis-Elemente Coriolis-Kräfte entlang einer sowohl zur Schwingungsrichtung, als auch zur Drehachse senkrechten Auslenkungsrichtung, so dass die Coriolis-Elemente entlang der Auslenkungsrichtung ausgelenkt werden. Eine Vermessung und differentielle Auswertung dieser Auslenkungsbewegungen ermöglicht somit eine qualitative Bestimmung der auf den Drehratensensor wirkenden Drehrate. Die Kammelektrodenstruktur übt auf die Coriolis-Elemente jedoch nicht nur eine Anregungskraft parallel zur Schwingungsrichtung, sondern zusätzlich auch als Levitationskräfte bezeichnete Kräfte entlang einer zur Substratebene senkrechten Richtung aus, welche den zu vermessenden Coriolis-Kräften überlagert ist und zu einer Verfäl-schung des Sensorsignals, beispielsweise in Form eines Offsets, erhöhtem Rauschen oder temperaturbedingten nichtlinearen Effekten, führen. Zur zumindest teilweisen Kompensation dieser ungewollten Levitationskräfte schlägt die Druckschrift DE 10 2008 054 749 A1 vor, eine entsprechend beschaltete Kompensationselektrode zwischen dem Coriolis-Element und dem Substrat vorzusehen. Die Druckschrift US 2010/0058865 A1 zeigt einen mikromechanischen z-Beschleunigungssensor mit einem Substrat, einer seismischen Masse und einem Anschlag zur Begrenzung einer maximalen Auslenkung der seismischen Masse sowie Levitationskompensation. Die Druckschrift DE 10 2009 000 407 A1 offenbart einen mikromechanischen z-Beschleunigungssensor mit Anschlagelektroden. Die Druckschrift DE 100 38 099 A1 offenbart einen mikromechanischen z-Beschleunigungssensor mit einem Kappenanschlag mit einstellbarem Abstand. Die Druckschrift JP H09-318656 A offenbart einen weiteren mikromechanischen z-Beschleunigungssensor mit Anschlag. Die Druckschrift US 2004/0112133 A1 ) offenbart ein weiteres mikromechanisches Bauelement mit seismischer Masse und ein zugehöriges Betriebsverfahren.Furthermore, from the publication DE 10 2008 054 749 A1 a rotation rate sensor with two Coriolis elements is known, which can be excited by means of a comb electrode structure to opposite phase vibrations relative to the substrate along an oscillation direction. If a rotation rate is present about an axis of rotation perpendicular to the direction of oscillation, Coriolis forces act on the Coriolis elements along a direction of deflection which is perpendicular to both the direction of oscillation and the axis of rotation, so that the Coriolis elements are deflected along the direction of deflection. A measurement and differential evaluation of these deflection movements thus enables a qualitative determination of the yaw rate acting on the yaw rate sensor. However, the comb electrode structure exerts not only an excitation force parallel to the direction of vibration on the Coriolis elements, but also forces called levitation forces along a direction perpendicular to the substrate plane, which is superimposed on the Coriolis forces to be measured and falsifies the sensor signal, for example in the form of an offset, increased noise or temperature-related non-linear effects. The publication suggests at least partial compensation for these unwanted levitation forces DE 10 2008 054 749 A1 propose to provide a correspondingly connected compensation electrode between the Coriolis element and the substrate. The publication US 2010/0058865 A1 shows a micromechanical z-acceleration sensor with a substrate, a seismic mass and a stop to limit a maximum deflection of the seismic mass and levitation compensation. The publication DE 10 2009 000 407 A1 discloses a micromechanical z-acceleration sensor with stop electrodes. The publication DE 100 38 099 A1 discloses a micromechanical z-acceleration sensor with a cap stop with adjustable distance. The publication JP H09-318656 A discloses another micromechanical z-acceleration sensor with a stop. The publication US 2004/0112133 A1 ) discloses a further micromechanical component with seismic mass and an associated operating method.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Bauelements gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass in einfacher Weise mit nur dem einem Anschlag sowohl eine Begrenzung der maximalen Auslenkung der seismischen Masse, als auch eine zumindest teilweise Kompensation der Levitationskräfte erzielt wird. Der Anschlag ist hierzu derart ausgebildet, dass sich zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse eine elektrostatische Wechselwirkung zur Unterdrückung der Levitationskraft und somit auch zur Unterdrückung einer Levitationsbewegung ausbildet. Der Anschlag ist somit nicht nur zur Begrenzung der maximalen Auslenkung durch einen mechanischen Kontakt zwischen einer Anschlagsfläche des Anschlags und der seismischen Masse ausgebildet ist, sondern darüber hinaus auch noch zur Erzeugung der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen der Anschlagsfläche und der seismischen Masse ausgebildet und konfiguriert, um mittels der elektrostatischen Wechselwirkung die Levitationsbewegung zu unterdrücken. Aufgrund der Integration beider Funktionalitäten in einem einzigen Anschlag wird im Vergleich zum Stand der Technik zudem Bauraum eingespart, wodurch sich die Kosten des Bauelements reduzieren und die Designfreiheit beim Design des Bauelements zunimmt. Denkbar ist auch, dass das Bauelement eine Mehrzahl von Anschlägen aufweist. Der Begriff Levitationskraft umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere sämtliche durch Levitationswirkungen auf die seismische Masse hervorgerufene Störungen. Das erfindungsgemäße Bauelement umfasst vorzugsweise einen Drehratensensor, wobei die seismische Masse zu einer Schwingung anregbar ist. Alternativ wäre aber auch denkbar, dass das erfindungsgemäße Bauelement eine Antriebsstruktur für andere Bauteile, beispielsweise einen bewegbaren Mikrospiegel oder dergleichen, umfasst. Das Bauelement ist insbesondere ein MEMS-Bauelement (Micro Electro Mechanic System), welches in einem Halbleiterherstellungsprozess und vorzugsweise in einem Silizium-Oberflächen-Mikromechanik-Prozess gefertigt ist. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der seismischen Masse entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eine Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens.The component according to the invention and the method according to the invention for operating a component according to the independent claims have the advantage over the prior art that in a simple manner with only one stop both a limitation of the maximum deflection of the seismic mass and an at least partial compensation of the Levitation is achieved. For this purpose, the stop is designed such that an electrostatic interaction is formed between the stop and the seismic mass to suppress the levitation force and thus also to suppress a levitation movement. The stop is thus not only designed to limit the maximum deflection due to a mechanical contact between a stop surface of the stop and the seismic mass, but moreover is also designed and configured to generate the electrostatic interaction between the stop surface and the seismic mass suppress the levitation movement of the electrostatic interaction. Due to the integration of both functionalities in a single stroke, installation space is also saved in comparison with the prior art, as a result of which the costs of the component are reduced and the design freedom in the design of the component increases. It is also conceivable that the component has a plurality of stops. For the purposes of the present invention, the term levitation force includes in particular all disturbances caused by levitation effects on the seismic mass. The component according to the invention preferably comprises a rotation rate sensor, wherein the seismic mass can be excited to oscillate. Alternatively, however, it would also be conceivable that the component according to the invention comprises a drive structure for other components, for example a movable micromirror or the like. The component is in particular a MEMS component (Micro Electro Mechanic System), which is manufactured in a semiconductor manufacturing process and preferably in a silicon surface micromechanical process. The substrate preferably comprises a semiconductor material, in particular silicon, which is structured accordingly to form the seismic mass. The structuring is preferably carried out in the context of a lithography, etching, deposition and / or bonding process.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar. Advantageous refinements and developments of the invention can be found in the subclaims and in the description with reference to the drawings.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung ein erster Abstand zwischen der seismischen Masse und dem Anschlag im Wesentlichen gleich einem zweiten Abstand zwischen dem Substrat und der seismischen Masse ist. In vorteilhafter Weise wird somit sichergestellt, dass die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse im Wesentlichen gleich einer elektrostatischen Wechselwirkung zwischen der seismischen Masse und dem Substrat ist und somit eine effiziente Unterdrückung der Levitationsbewegungen erzielt wird. Insbesondere wird somit ein entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung möglichst symmetrischer Aufbau des Bauelements im Bereich des Anschlags erreicht, so dass sich die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse und die elektrostatische Wechselwirkung zwischen der seismischen Masse und dem Substrat gegenseitig im Wesentlichen kompensieren. Eine Störung eines Ausgangssignals des Sensors aufgrund von Levitationsbewegungen wird hierdurch wirksam vermieden.According to a preferred embodiment, it is provided that, along a direction perpendicular to the main extension plane, a first distance between the seismic mass and the stop is essentially equal to a second distance between the substrate and the seismic mass. This advantageously ensures that the electrostatic interaction between the stop and the seismic mass is essentially equal to an electrostatic interaction between the seismic mass and the substrate, and thus an efficient suppression of the levitation movements is achieved. In particular, a construction of the component in the region of the stop that is as symmetrical as possible along a direction perpendicular to the main plane of extension is achieved, so that the electrostatic interaction between the stop and the seismic mass and the electrostatic interaction between the seismic mass and the substrate essentially compensate each other. A disturbance of an output signal of the sensor due to levitation movements is hereby effectively avoided.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Anschlag elektrisch leitfähig mit dem Substrat verbunden ist. In vorteilhafter Weise wird durch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Anschlag und dem Substrat sichergestellt, dass der Anschlag und das Substrat stets auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Insbesondere ist somit eine erste Potentialdifferenz zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse gleich einer zweiten Potentialdifferenz zwischen der seismischen Masse und dem Substrat. Wenn der erste und zweite Abstand im Wesentlichen gleich groß sind und die erste und zweite Potentialdifferenz im Wesentlichen gleich groß sind, wird gewährleistet, dass die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse im Wesentlichen gleich der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen der seismischen Masse und dem Substrat ist. Vorteilhafterweise wird somit keine aus dem Stand der Technik bekannte aktive Ansteuerung von Kompensationselektroden benötigt. Das erfindungsgemäße Bauelement ist somit vergleichsweise einfach, kostengünstig und bauraumkompakt realisierbar.According to a preferred embodiment, the stop is connected to the substrate in an electrically conductive manner. An electrically conductive connection between the stop and the substrate advantageously ensures that the stop and the substrate are always at the same electrical potential. In particular, a first potential difference between the stop and the seismic mass is thus equal to a second potential difference between the seismic mass and the substrate. If the first and second distances are essentially the same size and the first and second potential difference are essentially the same size, it is ensured that the electrostatic interaction between the stop and the seismic mass is substantially equal to the electrostatic interaction between the seismic mass and the substrate is. Advantageously, therefore, no active control of compensation electrodes known from the prior art is required. The component according to the invention is therefore comparatively simple, inexpensive and compact in terms of installation space.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Anschlag Teil eines Verkappungselements zur Verkappung des Bauelements ist, wobei das Verkappungselement vorzugsweise eutektisch mit dem Substrat verbunden ist. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten auf einem Sensorwafer realisierten mikromechanischen Beschleunigungs- oder Drehratensensoren sind Anschläge zur Begrenzung der maximalen Auslenkung senkrecht zum Substrat üblicherweise in einem Kappenwafer ausgebildet, welcher über eine Sealglas-Verbindung mit dem Sensorwafer verbunden ist. Eine Sealglas-Verbindung hat den Nachteil, dass der Abstand zwischen dem Kappenwafer und dem Sensorwafer stets deutlich größer als der Abstand zwischen der seismischen Masse und dem Substrat des Sensorwafers ist. In vorteilhafter Weise wird durch die Verwendung eines eutektisch an das Substrat angebundenen Verkappungselements ermöglicht, dass der erste und zweite Abstand im Wesentlichen gleich groß sind und somit von dem Anschlag überhaupt eine die Levitationskraft unterdrückende Funktion ausgeht. Der Begriff eutektische Verbindung (auch als „eutektisch gebondet“ bezeichnet) umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Verbindung zwischen dem Verkappungselement und dem Substrat, welcher durch eine eutektische Legierung wie zum Beispiel Si-Au oder Ge-Al hergestellt ist. Das Substrat und das Verkappungselement sind dabei vorzugsweise auf Silizium-Basis gefertigt.According to a preferred embodiment it is provided that the stop is part of a capping element for capping the component, the capping element preferably being connected eutectically to the substrate. In the micromechanical acceleration or rotation rate sensors known from the prior art and implemented on a sensor wafer, stops for limiting the maximum deflection perpendicular to the substrate are usually formed in a cap wafer which is connected to the sensor wafer via a seal glass connection. A seal glass connection has the disadvantage that the distance between the cap wafer and the sensor wafer is always significantly larger than the distance between the seismic mass and the substrate of the sensor wafer. Advantageously, the use of a capping element connected eutectically to the substrate enables the first and second distances to be essentially the same size and thus the stop to have a function that suppresses the levitation force. For the purposes of the present invention, the term eutectic connection (also referred to as “eutectically bonded”) includes in particular a connection between the capping element and the substrate, which is produced by a eutectic alloy such as Si-Au or Ge-Al. The substrate and the capping element are preferably made on a silicon basis.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauelement eine Elektrodenanordnung aus Festelektroden und entsprechenden Gegenelektroden der seismischen Masse aufweist, wobei der Anschlag die Elektrodenstruktur senkrecht zur Haupterstreckungsebene vorzugsweise vollständig überdeckt. Die Elektrodenstruktur ist senkrecht zur Haupterstreckungsebene somit zwischen dem Anschlag und dem Substrat angeordnet. In vorteilhafter Weise werden durch die vollständige Überdeckung der Elektrodenanordnung durch den Anschlag jegliche von der Elektrodenanordnung ausgehenden Levitationskräfte möglichst effizient kompensiert, da gewährleistet ist, dass die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse im Wesentlichen gleich der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen der seismischen Masse und dem Substrat ist.It is provided according to the invention that the component has an electrode arrangement composed of fixed electrodes and corresponding counter electrodes of the seismic mass, the stop preferably completely covering the electrode structure perpendicular to the main extension plane. The electrode structure is thus arranged perpendicular to the main plane of extension between the stop and the substrate. Advantageously, the complete coverage of the electrode arrangement by the stop compensates for any levitation forces emanating from the electrode arrangement as efficiently as possible, since it is ensured that the electrostatic interaction between the stop and the seismic mass is essentially equal to the electrostatic interaction between the seismic mass and the Substrate.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Elektrodenanordnung eine Antriebsstruktur zum Bewegen der seismischen Masse relativ zum Substrat parallel zur Haupterstreckungsebene entlang einer Bewegungsrichtung vorgesehen ist und/oder wobei die Festelektroden und die Gegenelektroden als parallel zur Bewegungsrichtung ineinandergreifende Kammelektrodenstrukturen ausgebildet sind. In vorteilhafter Weise wird somit eine effiziente Anregung der seismischen Masse realisiert, ohne dass es zu einer erhöhten Levitationsbewegung kommt. Ferner werden die Streufelder auf beiden Seiten der Elektrodenstruktur, d.h. zwischen der Elektrodenstruktur und dem Anschlag und zwischen der Elektrodenstruktur und dem Substrat, in gleicher Weise gebündelt, so dass im Vergleich zum Stand der Technik eine effizientere Antriebswirkung bei gleichbleibender Antriebsspannung erzielt werden.According to a preferred embodiment, it is provided that the electrode arrangement is provided with a drive structure for moving the seismic mass relative to the substrate parallel to the main extension plane along a direction of movement and / or wherein the fixed electrodes and the counter electrodes are designed as comb electrode structures which engage in parallel to the direction of movement. In this way, an efficient excitation of the seismic mass is advantageously realized without an increased levitation movement. Furthermore, the stray fields on both sides of the electrode structure, ie between the electrode structure and the stop and between the electrode structure and the substrate, in bundled in the same way, so that in comparison to the prior art, a more efficient drive effect can be achieved with a constant drive voltage.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung ein weiterer erster Abstand zwischen der Elektrodenstruktur und dem Anschlag im Wesentlichen gleich einem weiteren zweiten Abstand zwischen dem Substrat und der der Elektrodenstruktur ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass zur Levitationsunterdrückung zumindest im Bereich der Elektrodenstruktur ein symmetrischer Aufbau entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung erzielt wird.According to a preferred embodiment, it is provided that along a direction perpendicular to the main extension plane, a further first distance between the electrode structure and the stop is substantially equal to a further second distance between the substrate and that of the electrode structure. In this way it is ensured that for levitation suppression, at least in the area of the electrode structure, a symmetrical structure is achieved along a direction perpendicular to the main extension plane.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Bauelements, wobei die seismische Masse des Bauelements mittels der Elektrodenstruktur zu einer Schwingung relativ zum Substrat angeregt wird, wobei mittels des Anschlags eine maximale Auslenkung der seismischen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene begrenzt wird und wobei mittels des Anschlags ferner auf die seismische Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene wirkenden Levitationskräfte unterdrückt werden. In vorteilhafter Weise wird somit gleichzeitig eine Begrenzung der maximalen Auslenkung der seismischen Masse, wodurch eine Beschädigung des Bauelements beispielsweise aufgrund hoher Beschleunigungen verhindert wird, und eine Unterdrückung der Levitationskräfte, wodurch die Qualität des Ausgangssignals des Sensors verbessert wird, erzielt.Another object of the present invention is a method for operating a component, wherein the seismic mass of the component is excited to oscillate relative to the substrate by means of the electrode structure, a maximum deflection of the seismic mass perpendicular to the main extension plane being limited by means of the stop, and by means of of the stop are also suppressed levitation forces acting on the seismic mass perpendicular to the main extension plane. Advantageously, a limitation of the maximum deflection of the seismic mass is thereby achieved at the same time, which prevents damage to the component, for example due to high accelerations, and a suppression of the levitation forces, which improves the quality of the output signal of the sensor.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Anschlag und das Substrat zur Unterdrückung der Levitationskräfte derart beschaltet werden, dass eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen der seismischen Masse und dem Substrat im Wesentlichen gerade kompensiert, so dass eine wirksame Unterdrückung der Levitationskräfte realisiert wird, ohne dass es hierfür einer vergleichsweise aufwändigen aktiven Steuerung bedarf.According to a preferred embodiment, it is provided that the stop and the substrate are suppressed to suppress the levitation forces such that an electrostatic interaction between the stop and the seismic mass essentially compensates for an electrostatic interaction between the seismic mass and the substrate, so that a effective suppression of levitation forces is realized without the need for comparatively complex active control.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Anschlag und das Substrat auf das im Wesentlichen gleiche elektrische Potential geschaltet werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass zur Levitationsunterdrückung die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse und die elektrostatische Wechselwirkung zwischen der seismischen Masse und dem Substrat im Wesentlichen gleich groß sind und sich gegenseitig zumindest teilweise kompensieren.According to a preferred embodiment, it is provided that the stop and the substrate are switched to the substantially same electrical potential. This ensures that, for levitation suppression, the electrostatic interaction between the stop and the seismic mass and the electrostatic interaction between the seismic mass and the substrate are essentially the same size and at least partially compensate for one another.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the description below.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen

1a, 1b und 1c schematische Ansichten eines Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß dem Stand der Technik und
3 eine schematische Seitenansicht eines Bauelements nebst Streufeldern gemäß der beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Show it

1a , 1b and 1c schematic views of a component according to a first embodiment of the present invention,
2nd is a schematic side view of a component according to the prior art and
3rd is a schematic side view of a component along with stray fields according to the exemplary first embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually only named or mentioned once.

In den 1a, 1b und 1c sind schematische Ansichten eines Bauelements 1 gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der 1a ist dabei eine Aufsichtsdarstellung auf das Bauelement 1 illustriert, während in der 1b eine erste Schnittbildansicht des Bauelements 1 entlang einer in 1a illustrierten ersten Schnittlinie 20 und in 1c eine zweite Schnittbildansicht des Bauelements 1 entlang einer in 1a illustrierten zweiten Schnittlinie 21 dargestellt sind. Das Bauelement 1 umfasst ein Substrat 2, welches eine Haupterstreckungsebene 100 aufweist. Das Substrat 2 ist insbesondere ein Siliziumsubstrat. Das Bauelement 1 weist ferner eine seismische Masse 3 auf, welche gegenüber dem Substrat 3 beweglich aufgehängt ist. Die seismische Masse 3 ist mittels einer Festelektroden 10 und Gegenelektroden 11 umfassenden Elektrodenstruktur 4 zu einer Schwingung relativ zum Substrat 2 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Schwingungsrichtung 102 anregbar.In the 1a , 1b and 1c are schematic views of a device 1 according to an exemplary first embodiment of the present invention. In the 1a is a top view of the component 1 illustrated while in the 1b a first sectional view of the component 1 along an in 1a illustrated first cut line 20 and in 1c a second sectional view of the component 1 along an in 1a illustrated second section line 21 are shown. The component 1 comprises a substrate 2nd which is a main extension level 100 having. The substrate 2nd is in particular a silicon substrate. The component 1 also has a seismic mass 3rd on which is opposite the substrate 3rd is flexibly suspended. The seismic mass 3rd is by means of a fixed electrode 10th and counter electrodes 11 comprehensive electrode structure 4th to vibration relative to the substrate 2nd along a to the main extension plane 100 parallel direction of vibration 102 excitable.

Das Bauelement 1 weist ferner einen Anschlag 5 auf, um eine Beschädigung der seismischen Masse 3, der Gegenelektroden 11 oder der elastischen Aufhängung der seismischen Masse 3 am Substrat 2 (nicht dargestellt) infolge einer zu großen Auslenkung der seismischen Masse 3 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 senkrechten Richtung 101 zu verhindern. Der Anschlag 5 ist derart angeordnet, dass die Elektrodenstruktur 4 entlang der senkrechten Richtung 101 zwischen dem Anschlag 5 und dem Substrat 2 angeordnet ist. Die maximal mögliche Bewegung der seismischen Masse 3 bzw. der Gegenelektroden 11 in Richtung des Anschlags 5 wird durch den Anschlag 5 somit begrenzt. Denkbar ist beispielsweise, dass ein elektronisches Gerät, in welches das Bauelement 1 verbaut ist, von einem Benutzer versehentlich fallengelassen wird und anschließend auf einen harten Boden aufschlägt, wirkt eine hohe Beschleunigung auf das Bauelement 1 und die seismische Masse 3 wird infolge von Trägheitskräften ausgelenkt. Ein mechanischer Kontakt zwischen dem Anschlag 5 und der seismischen Masse 3 verhindert in einem solchen Fall eine Überauslenkung der seismischen Masse 3 und hieraus resultierende Beschädigungen des Bauelements 1.The component 1 also has a stop 5 on to damage the seismic mass 3rd , the counter electrodes 11 or the elastic suspension of the seismic mass 3rd on the substrate 2nd (not shown) due to excessive deflection of the seismic mass 3rd along a to the main extension plane 100 vertical direction 101 to prevent. The attack 5 is arranged such that the electrode structure 4th along the vertical direction 101 between the stop 5 and the substrate 2nd is arranged. The maximum possible movement of the seismic mass 3rd or. the counter electrodes 11 towards the stop 5 is through the attack 5 thus limited. It is conceivable, for example, that an electronic device in which the component 1 is installed, is accidentally dropped by a user and then hits a hard floor, high acceleration acts on the component 1 and the seismic mass 3rd is deflected due to inertial forces. A mechanical contact between the stop 5 and the seismic mass 3rd in such a case prevents over-deflection of the seismic mass 3rd and resulting damage to the component 1 .

Die seismische Masse 3 weist eine Mehrzahl der Gegenelektroden 11 auf, welche in Form von Fingerelektroden ausgebildet sind und eine Kammelektrodenstruktur bilden. Das Bauelement 1 weist ferner eine Mehrzahl der korrespondierenden Festelektroden 10 auf, welche über ein gemeinsames Befestigungselement 8 am Substrat 2 fest angebunden sind. Analog zu den Gegenelektroden 11 sind die Festelektroden 10 ebenfalls in Form von Fingerelektroden 10 ausgebildet und bilden eine weitere Kammelektrodenstruktur. Die beiden Kammelektrodenstrukturen bilden einen elektrostatischen Kammantrieb und greifen entlang der Bewegungsrichtung 102 derart ineinander, dass - abgesehen vom Randbereich der Elektrodenanordnung - immer genau eine Gegenelektrode 11 senkrecht zur Bewegungsrichtung 102 zwischen zwei Festelektroden 10 angeordnet ist, wobei die Gegenelektroden 11 und Festelektroden 10 sich im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung 102 erstrecken. Zur Anregung der seismischen Masse 3 zu einer Schwingung entlang der Schwingungsrichtung 102 wird zwischen den Festelektroden 10 und den Gegenelektroden 11 eine Wechselspannung angelegt, wodurch eine sich periodisch ändernde elektrostatische Kraftwirkung entlang der Schwingungsrichtung 102 von den Festelektroden 10 auf die Gegenelektroden 11 und somit auf die seismische Masse 3 ausgeübt wird. Die Frequenz der Wechselspannung wird dabei insbesondere auf die mechanische Resonanzfrequenz des Bauelements, d.h. insbesondere der Feder-Masse-Beziehung der seismischen Masse 3, angepasst.The seismic mass 3rd has a plurality of counter electrodes 11 on, which are designed in the form of finger electrodes and form a comb electrode structure. The component 1 also has a plurality of the corresponding fixed electrodes 10th on which has a common fastener 8th on the substrate 2nd are firmly connected. Analogous to the counter electrodes 11 are the fixed electrodes 10th also in the form of finger electrodes 10th formed and form a further comb electrode structure. The two comb electrode structures form an electrostatic comb drive and grip along the direction of movement 102 in such a way that - apart from the edge area of the electrode arrangement - always exactly one counter electrode 11 perpendicular to the direction of movement 102 between two fixed electrodes 10th is arranged, the counter electrodes 11 and fixed electrodes 10th essentially parallel to the direction of movement 102 extend. For excitation of the seismic mass 3rd to vibration along the direction of vibration 102 is between the fixed electrodes 10th and the counter electrodes 11 an AC voltage is applied, causing a periodically changing electrostatic force effect along the direction of vibration 102 from the fixed electrodes 10th on the counter electrodes 11 and thus on the seismic mass 3rd is exercised. The frequency of the AC voltage is in particular based on the mechanical resonance frequency of the component, ie in particular the spring-mass relationship of the seismic mass 3rd , customized.

Neben der oben beschriebenen Anregung der Schwingung entlang der Schwingungsrichtung 102 entsteht durch Anlegen einer Wechselspannung an die Kammantriebe bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bauelementen 1 ferner eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 wirkende Kraft, welche typischerweise als Levitationskraft bezeichnet wird, und aus unterschiedlich ausgebildeten elektrischen Feldlinien oberhalb und unterhalb der seismischen Masse 3 resultiert. Eine solche Levitationskraft führt zu ungewünschten Levitationsbewegungen der seismischen Masse 3 parallel zur senkrechten Richtung 101. Bei dem in 1a, 1b und 1c dargestellten erfindungsgemäßen Bauelement 1 ist der Anschlag 5 ferner zur Unterdrückung der auf die seismische Masse 3 entlang der senkrechten Richtung 101 wirkenden Levitationskräfte ausgebildet und konfiguriert. Der Anschlag ist hierzu derart ausgebildet, dass sich zwischen dem Anschlag und der seismischen Masse eine elektrostatische Wechselwirkung zur Unterdrückung der Levitationsbewegung ausbildet, welche einer elektrostatischen Wechselwirkung zwischen dem Substrat und der seismischen Masse im Wesentlichen gleich groß und entgegengesetzt ist. Der Anschlag 5 ist hierzu derart angeordnet, dass ein weiterer erster Abstand 6 zwischen dem Anschlag 5 und der Gegenelektroden 11 entlang der senkrechten Richtung 101 im Wesentlichen gleich einem weiteren zweiten Abstand 7 zwischen den Gegenelektroden 11 und dem Substrat 2 entlang der senkrechten Richtung 101 ist. Ferner liegen der Anschlag 5 und das Substrat 2 insbesondere auf dem gleichen elektrischen Potential, so dass zwischen dem Anschlag 5 und der Elektrodenstruktur 4 und zwischen dem Substrat 2 und der Elektrodenstruktur 4 gleiche Kräfte entlang der senkrechten Richtung 101 wirken, welche sich gegenseitig kompensieren und somit die Levitationskräfte und die Levitationsbewegung unterdrückt werden. Der Anschlag 5 und das Substrat 2 sind vorzugsweise elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Ferner ist der Anschlag 5 entlang der Haupterstreckungsebene 100 derart dimensioniert, dass die gesamte Elektrodenstruktur 4 entlang der senkrechten Richtung 101 von dem Anschlag 5 überdeckt ist. Vorzugsweise ist der Anschlag 5 größer als die Elektrodenstruktur 4 ausgebildet, so dass die Elektrodenstruktur 4 auch bei einer leichten Verschiebung des Anschlags 5 entlang der Haupterstreckungsebene 100 während der Herstellung des Bauelements 1 (Justage-Versatz) noch vollständig überdeckt ist. Hierdurch werden die Herstellungstoleranzen erhöht. Die Gleichheit von weiterem ersten und weiterem zweiten Abstand 6, 7 wird insbesondere dadurch erzielt, dass der Anschlag 5 als Teil eines Verkappungselements (nicht abgebildet) ausgebildet ist, welches eutektisch mit dem Substrat 2 verbunden ist. Auf diese Weise ist ein genügend kleiner weiterer erster Abstand 6 zu erzielen, wodurch die Levitationskompensation realisierbar ist.In addition to the excitation of the vibration along the direction of vibration described above 102 arises by applying an alternating voltage to the comb drives in the components known from the prior art 1 also a perpendicular to the main plane of extent 100 acting force, which is typically referred to as levitation force, and from differently shaped electric field lines above and below the seismic mass 3rd results. Such a levitation force leads to undesired levitation movements of the seismic mass 3rd parallel to the vertical direction 101 . At the in 1a , 1b and 1c shown component according to the invention 1 is the stop 5 also to suppress the seismic mass 3rd along the vertical direction 101 acting levitation forces trained and configured. For this purpose, the stop is designed such that an electrostatic interaction which suppresses the levitation movement is formed between the stop and the seismic mass and which is essentially the same size and opposite to an electrostatic interaction between the substrate and the seismic mass. The attack 5 is arranged in such a way that a further first distance 6 between the stop 5 and the counter electrodes 11 along the vertical direction 101 essentially equal to another second distance 7 between the counter electrodes 11 and the substrate 2nd along the vertical direction 101 is. Furthermore, the attack 5 and the substrate 2nd especially at the same electrical potential, so that between the stop 5 and the electrode structure 4th and between the substrate 2nd and the electrode structure 4th equal forces along the vertical direction 101 act which compensate each other and thus suppress the levitation forces and the levitation movement. The attack 5 and the substrate 2nd are preferably connected to one another in an electrically conductive manner. Furthermore, the attack 5 along the main extension plane 100 dimensioned such that the entire electrode structure 4th along the vertical direction 101 from the attack 5 is covered. The stop is preferably 5 larger than the electrode structure 4th formed so that the electrode structure 4th even if the stop moves slightly 5 along the main extension plane 100 during the manufacture of the device 1 (Adjustment offset) is still completely covered. This increases the manufacturing tolerances. The equality of another first and another second distance 6 , 7 is achieved in particular in that the stop 5 is formed as part of a capping element (not shown) which is eutectic to the substrate 2nd connected is. In this way there is a sufficiently small first distance 6 to achieve, whereby the levitation compensation can be realized.

Das vorliegende Bauelement 1 umfasst vorzugsweise einen Teil eines Drehratensensors, wobei mittels der Elektrodenstruktur 4 ein als seismische Masse 3 ausgebildetes Coriolis-Element zur Schwingung angeregt wird, so dass beim Vorliegen einer Drehrate eine Coriolis-Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung 102 und senkrecht zur Drehrate auf die seismische Masse 3 wirkt.The present component 1 preferably comprises a part of a rotation rate sensor, by means of the electrode structure 4th one as a seismic mass 3rd formed Coriolis element is excited to oscillate, so that when a rotation rate is present, a Coriolis force is perpendicular to the direction of movement 102 and perpendicular to the rotation rate on the seismic mass 3rd works.

In 2 eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß dem Stand der Technik dargestellt. In 2 sind zur Veranschaulichung elektrische Streufelder 12 oberhalb und unterhalb einer mit der in 1 gezeigten Elektrodenstruktur 4 vergleichbaren Elektrodenstruktur 4` gezeigt, wobei die Streufelder 12 durch Anlegen der Wechselspannung zwischen den Gegenelektroden 11 und den Festelektroden 10 entstehen. Oberhalb der Elektrodenstruktur 4', d.h. auf einer dem Substrat 2' abgewandten Seite der Elektrodenstruktur 4', weisen die Streufelder 12 einen anderen Verlauf als unterhalb der Elektrodenstruktur 4', d.h. zwischen dem Substrat 2` und der Elektrodenstruktur 4`, auf, da unterhalb der Elektrodenstruktur 4` das Substrat 2 in unmittelbarer Nähe zur Elektrodenstruktur 4` angeordnet ist. Aufgrund dieser ungleichen Streufelder wirkt eine resultierende Kraftkomponente in Form der Levitationskraft 9 auf die Elektrodenstruktur 4', wodurch die beweglichen Gegenelektroden 11` der seismischen Masse entlang der senkrechten Richtung 101 ausgelenkt werden.In 2nd a schematic side view of a component according to the prior art. In 2nd are for illustration electrical stray fields 12th above and below one with the in 1 shown electrode structure 4th comparable electrode structure 4` shown, the stray fields 12th by applying the AC voltage between the counter electrodes 11 and the fixed electrodes 10th arise. Above the electrode structure 4 ' , ie on a the substrate 2 ' opposite side of the electrode structure 4 ' , show the stray fields 12th a different course than below the electrode structure 4 ' , ie between the substrate 2` and the electrode structure 4` , on because below the electrode structure 4` the substrate 2nd in close proximity to the electrode structure 4` is arranged. Due to these uneven stray fields, a resulting force component acts in the form of the levitation force 9 on the electrode structure 4 ' , causing the movable counter electrodes 11` the seismic mass along the vertical direction 101 be deflected.

In 3 ist eine schematische Seitenansicht gemäß der beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die 3 ist dabei im Wesentlichen der 1c identisch, wobei zusätzlich - ähnlich wie bei 2 - Streufelder 12 eingezeichnet sind, um die Symmetrie der Streufelder 12 bei dem erfindungsgemäßen Bauelement 1 zu veranschaulichen. Da der weitere erste und der weitere zweite Abstand 6, 7 gleich groß ist und der Anschlag 5 und das Substrat 2 auf das gleiche elektrische Potential beschaltet werden, sind die Streufelder 12 zwischen dem Anschlag 5 und der Elektrodenstruktur 4 und die Streufelder 12 zwischen der Elektrodenstruktur 4 und dem Substrat 2 im Wesentlich gleichartig ausgebildet, so dass keine resultierende Kraftkomponente entlang der senkrechten Richtung 101 auf die Elektrodenstruktur 4 wirkt. Eine Levitationsbewegung der seismischen Masse 3 wird verhindert.In 3rd 3 is a schematic side view in accordance with the exemplary first embodiment of the present invention. The 3rd is essentially the 1c identical, but additionally - similar to 2nd - stray fields 12th are drawn to the symmetry of the stray fields 12th in the component according to the invention 1 to illustrate. Because the further first and the further second distance 6 , 7 is the same size and the stop 5 and the substrate 2nd the stray fields are connected to the same electrical potential 12th between the stop 5 and the electrode structure 4th and the stray fields 12th between the electrode structure 4th and the substrate 2nd designed essentially the same, so that no resulting force component along the vertical direction 101 on the electrode structure 4th works. A levitation movement of the seismic mass 3rd will be prevented.

Claims

Component (1) comprising a substrate (2) and a seismic mass (3), the seismic mass (3) being designed to be deflectable relative to the substrate (2), the component (1) having a stop (5) for limiting a maximum Deflection of the seismic mass (3) perpendicular to the main extension plane (100) and wherein the seismic mass (3) is arranged perpendicular to the main extension plane (100) between the substrate (2) and the stop (5), the component (1) Electrode arrangement (4) comprising fixed electrodes (10) and corresponding counter electrodes (11) of the seismic mass (3), characterized in that the stop (5) completely covers the electrode arrangement (4) perpendicular to the main extension plane (100) and the stop (5 ) is also configured to suppress levitation forces acting on the seismic mass (3) perpendicular to the main extension plane (100).

Component (1) after Claim 1 , wherein the stop (5) is electrically conductively connected to the substrate (2).

Component (1) according to one of the preceding claims, wherein a first distance between the seismic mass (3) and the stop (5) is substantially equal to a second distance between the substrate (2) along a direction (101) perpendicular to the main extension plane (100) ) and the seismic mass (3).

Component (1) according to one of the preceding claims, wherein the stop (5) is part of a capping element for capping the component (1), the capping element preferably being connected eutectically to the substrate (2).

Component (1) according to one of the preceding claims, wherein the electrode arrangement (5) is provided a drive structure for exciting the seismic mass (3) to oscillate relative to the substrate (2) along an oscillation direction (102) parallel to the main extension plane (100) and / or wherein the fixed electrodes (10) and the counter electrodes (11) are designed as comb electrode structures which engage in one another parallel to the direction of oscillation (102).

Component (1) according to one of the preceding claims, wherein along a direction (101) perpendicular to the main extension plane (100) a further first distance (6) between the electrode structure (4) and the stop (5) is essentially equal to a further second distance ( 7) between the substrate (2) and that of the electrode structure (4).

Method for operating a component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the seismic mass (3) of the component (1) is excited to oscillate relative to the substrate (2) by means of the electrode structure (4), wherein by means of the Stop (5) limits a maximum deflection of the seismic mass (3) perpendicular to the main extension plane (100) and by means of the stop (5) on the seismic mass (3) perpendicular to the main extension plane (100) acting levitation forces are suppressed.

Procedure according to Claim 7 , wherein the stop (5) and the substrate (2) are suppressed to suppress the levitation forces such that an electrostatic interaction between the stop (5) and the seismic mass (3) causes an electrostatic interaction between the seismic mass (3) and the Substrate (2) is essentially just compensated.

Procedure according to one of the Claims 7 or 8th , wherein the stop (5) and the substrate (2) are switched to the substantially same electrical potential.