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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur.
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Solche Strukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 101 08 196 A1 ein Drehratensensor mit Coriolis-Elementen zur Messung einer Drehrate bekannt, welche senkrecht auf der Substratebene des Sensors steht. Der Sensor umfasst ein erstes und ein zweites Coriolis-Element, welche über eine Feder miteinander verbunden sind und zu Schwingungen parallel zu einer Schwingungsachse angeregt werden, wobei ein erstes und ein zweites Detektionsmittel eine Auslenkung des ersten und zweites Coriolis-Elements parallel zu einer Substratebene aufgrund einer auf die Coriolis-Elemente wirkenden Corioliskraft detektieren, so dass die Differenz aus einem ersten Detektionssignal des ersten Detektionsmittels und einem zweiten Detektionssignal des zweiten Detektionsmittels abhängig von der Corioliskraft und somit auch abhängig von der Drehrate des Drehratensensors ist. Die Coriolis-Elemente sind dabei über Federelemente beweglich an einen Antriebsrahmen und über den Antriebsrahmen mittelbar an das Substrat angebunden. Die Federelemente sind als U-Federn ausgebildet, welche zwei parallel zueinander verlaufende Biegefedern umfassen, die über ein Kopfstück fest miteinander verbunden sind. Durch eine Verbiegung der Biegefedern wird eine Auslenkung des Antriebsrahmens und des Coriolis-Elements parallel zur Substratebene infolge der Corioliskräfte ermöglicht.
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Die
DE 10 2009 000 407 A1 zeigt beispielsweise eine Sensorvorrichtung mit einer Grundplatte und einer seismischen Masse.
Darüber hinaus sind Drehratensensoren bekannt, welche zur Detektion einer sich parallel zur Substratebene erstreckenden Drehrate ausgebildet sind. Solche Drehratensensoren sind ähnlich aufgebaut, wobei die Coriolis-Elemente durch die Corioliskräfte jedoch zu Auslenkungen entlang einer zur Substratebene senkrechten Richtung ausgelenkt werden. Die Detektionsmittel umfassen somit beispielsweise Flächenelektroden zwischen dem Substrat und den Coriolis-Element, um die Auslenkung senkrecht zur Substratebene zu vermessen. Die Coriolis-Elemente oder die Antriebsrahmen für die Coriolis-Elemente sind ferner mit ähnlichen Federelementen an das Substrat angebunden, wobei auch hier durch eine Verbiegung der Biegefedern die Auslenkung des Antriebsrahmens bzw. des Coriolis-Elements senkrecht zur Substratebene infolge der Corioliskräfte ermöglicht wird. Die Federsteifigkeit hängt dabei ungefähr von der dritten Potenz der Dicke der Biegefedern ab. Nachteiligerweise ist die Dicke der Biegefedern Fertigungsschwankungen unterworfen, so dass in nachteiliger Weise große Schwankungen in der Federsteifigkeit und Abweichungen in der Frequenz der mechanischen Moden auftreten. Die aus dem Stand der Technik bekannte Nutzung von mäanderförmigen Federn hat ferner den Nachteil, dass aufgrund der filigranen Strukturen eine hohe Anzahl verschiedene Moden in den Federn auftreten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Sensorstruktur gemäß Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Auftreten von unerwünschten Störmoden oder Frequenzabweichungen in den mechanischen Moden des Federsystems aus beweglicher Masse und Federelement, hervorgerufen beispielsweise durch hohe Abhängigkeiten von den Fertigungstoleranzen, reduziert oder sogar vermieden werden. Auf diese Weise sind, sofern die mikromechanische Struktur beispielsweise in einem Sensor verbaut ist, eine Steigerung der Sensorleistung und ein robusterer Sensorbetrieb möglich. Die genannten Vorteile werden dadurch erzielt, dass das wenigstens eine Federelement neben den Biegefederbereichen auch einen Torsionshebelbereich aufweist. Dies führt dazu, dass bei einer Auslenkung der beweglichen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats nicht nur die aus dem Stand der Technik bekannte Verbiegung der Biegefederbereiche erfolgt, sondern die Auslenkung der beweglichen Masse zu einem erheblichen Teil durch eine Verkippung des Torsionshebelbereichs gegenüber der Haupterstreckungsebene erzielt wird. Die Verkippung des Torsionshebelbereichs führt dann vorteilhafterweise zu einer innerhalb der Biegefederbereiche. Im Unterschied zu Biegefedern weist die Federsteifigkeit einer Torsionsfeder dabei eine geringere Abhängigkeit von der Strukturdicke des betreffenden Federbereichs auf, so dass durch die Torsion der Biegefederbereiche die Abhängigkeit der Federsteifigkeit von Fertigungstoleranzen in vorteilhafter Weise reduziert ist. Die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik genannten Nachteile werden somit vermieden. Insgesamt weist die erfindungsgemäße Struktur höhere Fertigungstoleranzen auf, wodurch auch eine kostengünstigere Herstellung ermöglicht wird. Ferner ist eine Steigerung der Sensorgenauigkeit bei gleichbleibenden Fertigungstoleranzen erzielbar. Die bewegliche Masse umfasst vorzugsweise eine seismische Masse einer Sensorstruktur und wird von zu sensierenden Kräften senkrecht zur Haupterstreckungsebene ausgelenkt. In diesem Fall umfasst die seismische Masse beispielsweise ein Coriolis-Element oder einen mit einem Coriolis-Element elastisch gekoppelten Antriebsrahmen. Denkbar ist alternativ aber auch, dass die bewegliche Masse Teil eines Aktors, beispielsweise eines Antriebs, ist, wobei die bewegliche Masse dann zu einer Auslenkung senkrecht zur Haupterstreckungsebene aktiv angetrieben wird. Das wenigstens eine Federelement ist insbesondere mittelbar oder unmittelbar an das Substrat und/oder an die bewegliche Masse angebunden. Die mikromechanische Struktur umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von seismischen Massen. Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur umfasst insbesondere ein MEMS-Bauelement (Micro Electro Mechanic System), welches in einem Halbleiterherstellungsprozess gefertigt ist. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der beweglichen Masse und des wenigstens einen Federelements entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eine Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zwei Biegefederbereiche eine im Wesentlichen geradlinige erste Balkenstruktur und eine im Wesentlichen geradlinige zweite Balkenstruktur umfassen, wobei ein erster Endbereich der ersten Balkenstruktur an die bewegliche Masse gekoppelt ist und ein zweiter Endbereich der ersten Balkenstruktur an den Torsionshebelbereich gekoppelt ist und wobei ein weiterer erster Endbereich der zweiten Balkenstruktur an eine mit dem Substrat fest verbundene Substratverankerung gekoppelt ist und ein weiterer zweiter Endbereich der zweiten Balkenstruktur an den Torsionshebelbereich gekoppelt ist, wobei der zweite Endbereich und der weitere zweite Endbereich mittels des Torsionshebelbereichs voneinander beabstandet sind. In vorteilhafter Weise wird bei einer Auslenkung der beweglichen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene eine Torsion des Torsionshebelbereichs hervorgerufen, so dass die Abhängigkeit der resultierenden Federsteifigkeit des Federelements von der Strukturdicke der Balkenstrukturen reduziert wird. Das Federelement umfasst insbesondere keine mäanderförmigen Strukturen, da lediglich zwei Balkenstrukturen pro Federelement vorgesehen sind, so dass keine zusätzlichen stark von der Strukturdicke abhängigen Biegeanteile in der resultierenden Federsteifigkeit auftreten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Federelement derart ausgebildet ist, dass bei einer Auslenkung der beweglichen Masse entlang der senkrechten Richtung eine federelastische Torsion des Torsionshebelbereichs, insbesondere zwischen dem zweiten und dem weiteren zweiten Endbereich verursacht wird. Zur Begünstigung der Torsionswirkung im Torsionshebelbereich ist vorzugsweise die Strukturdicke im Torsionshebelbereich im Vergleich zum Stand der Technik erheblich dünner und die Länge des Torsionshebelbereichs länger ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einer neutralen Ausgangslage des Federelements der Torsionshebelbereich sich geradlinig zwischen dem zweiten Endbereich und dem weiteren zweiten Endbereich erstreckt, wobei der Torsionshebelbereich vorzugsweise rechtwinklig zur ersten und zweiten Balkenstruktur verläuft. In vorteilhafter Weise wird somit bei einer Auslenkung der beweglichen Masse gegenüber dem Substrat eine Verdrehung des Torsionshebelbereichs um die axiale Richtung des Torsionshebelbereichs erzielt, so dass der Torsionshebelbereich gegenüber einer solchen Verdrehung vergleichsweise weich ausgebildet ist. Insbesondere ist das Federelement derart ausgebildet, dass bei einer Bewegung der beweglichen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene die zur Torsion des Torsionshebelbereichs benötigte Kraft niedriger als eine zur Verbiegung der Balkenstrukturen benötigte Kraft ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einer neutralen Ausgangslage des Federelements der Abstand zwischen dem zweiten Endbereich und dem weiteren zweiten Endbereich wenigstens 10 Prozent, bevorzugt wenigstens 15 Prozent und besonders bevorzugt wenigstens 25 Prozent des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Endbereich und/oder zwischen dem weiteren ersten und dem weiteren zweiten Endbereich umfasst. Es hat sich in vorteilhafter Weise gezeigt, dass ab einer Länge des Torsionshebelbereichs von wenigstens 10 Prozent, bevorzugt wenigstens 15 Prozent und besonders bevorzugt wenigstens 25 Prozent der Länge der ersten und/oder zweiten Balkenstruktur vergleichsweise hohe Torsionsanteile in der Federbewegung auftreten und somit die Abhängigkeit der resultierenden Federsteifigkeit von der Strukturdicke der Balkenstrukturen reduziert wird.
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Es wird eine Struktur offenbart, wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem weiteren ersten Endbereich in einer neutralen Ausgangslage des Federelements im Wesentlich gleich dem Abstand zwischen dem zweiten und dem weiteren zweiten ist und die erste und die zweite Balkenstruktur im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. In vorteilhafter Weise wird somit eine vergleichsweise gute Beweglichkeit des Federelements bei Bewegungen der beweglichen Masse parallel zur Haupterstreckungsebene erzielt. Ferner werden vergleichsweise große Amplituden bei solchen Bewegungen der beweglichen Masse parallel zur Haupterstreckungsebene ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem ersten und dem weiteren ersten Endbereich in einer neutralen Ausgangslage des Federelements kleiner als der Abstand zwischen dem zweiten und dem weiteren zweiten Endbereich ist. In vorteilhafter Weise wird somit ein vergleichsweise langer Torsionshebelbereich realisiert und gleichzeitig der benötigte Flächenbedarf für das Federelement minimiert. Die Reduktion der benötigten Substrat- bzw. Waferfläche führt vorteilhafterweise zur einer Reduktion der Herstellungskosten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem ersten und dem weiteren ersten Endbereich maximal 50 Prozent, bevorzugt maximal 25 Prozent und besonders bevorzugt maximal 15 Prozent des Abstands zwischen dem zweiten und dem weiteren zweiten Endbereich umfasst. Es hat sich in vorteilhafter Weise gezeigt, dass ab einem Abstand zwischen dem ersten und dem weiteren ersten Endbereich von maximal 50 Prozent, bevorzugt maximal 25 Prozent und besonders bevorzugt maximal 15 Prozent der Länge des Torsionshebelbereichs ein optimales Verhältnis aus der Größe der Torsionsanteile in der resultierenden Federkonstante(für Auslenkungen senkrecht zur Haupterstreckungsebene), der Reduktion des Flächenbedarfs und der gewünschten Federelastizität für Bewegungen parallel zur Haupterstreckungsebene zu erzielen ist. Die erste und die zweite Balkenstruktur schließen dabei insbesondere einen Winkel zwischen 5 und 40 Grad, bevorzugt zwischen 15 und 30 Grad und besonders bevorzugt zwischen 20 und 25 Grad zwischen sich ein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Torsionshebelbereich derartig ausgebildet ist, dass bei einer Auslenkung der seismischen Masse entlang der senkrechten Richtung der Torsionshebelbereich tordiert wird. In vorteilhafter Weise wird somit neben der Torsion der Balkenfederbereiche auch eine Torsion des Torsionshebelbereichs erzielt, so dass die Torsionsfedereigenschaften der federelastischen Aufhängung der seismischen Masse verstärkt werden.
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikromechanische Sensorstruktur gemäß Anspruch 1. Es wird somit eine Sensorstruktur in Form eines Drehratensensors (auch als Coriolis-Sensor bezeichnet) bereitgestellt, bei welcher in vorteilhafter Weise die Abhängigkeit der Sensorgenauigkeit von den Fertigungstoleranzen im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Struktur und
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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In 1 ist ein Ausschnitt einer mikromechanischen Struktur 1 schematisch dargestellt. Die mikromechanische Struktur 1 umfasst ein MEMS-Bauteil, welches durch Strukturierung eines Halbleitersubstrats 2 mittels eines Halteleiterherstellungsprozesses hergestellt wird. Die mikromechanische Struktur 1 ist dabei Teil einer mikromechanischen Sensorstruktur 1', welche im vorliegenden Beispiel einen Drehratensensor zur Messung von Drehraten senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats 2 umfasst. Solche Drehratensensoren werden auch als Out-Of-Plane-Drehratensensoren oder ωX-Drehratensensoren bezeichnet. Die Sensorstruktur 1' umfasst eine bewegliche Masse 3, welche über ein Federelement 4 beweglich an einer am Substrat 2 starr befestigten Substratverankerung 7 aufgehängt ist. Das Federelement 4 fungiert somit zur elastischen Befestigung der bewegliche Masse 3 am Substrat 2 derart, dass die bewegliche Masse 3 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 senkrechten Richtung 101 auslenkbar ist. Ferner ist die bewegliche Masse 3 mittels nicht abgebildeter Antriebsmittel zu einer Schwingung entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen und zur senkrechten Richtung 101 senkrechten Schwingungsrichtung 102 anregbar ist. Die bewegliche Masse 3 umfasst ein Coriolis-Element und optional einen Antriebsrahmen, welcher das Coriolis-Element zur Schwingung anregt. Wenn eine Drehrate parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Schwingungsrichtung 102 anliegt, wirkt auf das entlang der Schwingungsrichtung 102 schwingende Coriolis-Element eine Coriolis-Kraft entlang der senkrechten Richtung 101. Die bewegliche Masse 3 wird somit senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 relativ zum Substrat 3 angehoben oder abgesenkt. Das Federelement 4 ist nun derart ausgebildet, dass durch die Auslenkung der beweglichen Masse 3 entlang der senkrechten Richtung 101 eine federelastische Torsion in einem Torsionshebelbereich 6 des Federelements 3 erzeugt wird. Der Torsionshebelbereich 6 ist zwischen zwei senkrecht zum Torsionshebelbereich 6 verlaufenden Balkenfederbereichen 5 des Federelements 4 angeordnet. Eine erste Balkenstruktur 10 der beiden Balkenfederbereiche 5 ist mit einem ersten Endbereich 11 starr mit der beweglichen Masse 3 und mit einem zweiten Endbereich 21 mit dem Torsionshebelbereich 6 verbunden. Eine zweite Balkenstruktur 20 der beiden Balkenfederbereiche 5 ist mit einem weiteren ersten Endbereich 21 starr mit der substratfesten Substratverankerung 7 und mit einem weiteren zweiten Endbereich 22 mit dem Torsionshebelbereich 6 verbunden, so dass sich der Torsionshebelbereich 6 zwischen dem zweiten Endbereich 12 und dem weiteren zweiten Endbereich 22 erstreckt. Die erste und zweite Balkenstruktur 10, 20 werden durch den Torsionshebelbereich 6 voneinander getrennt, wobei die Länge des Torsionshebelbereichs 6 derart groß gewählt ist, dass bei Auslenkungen der beweglichen Masse 3 entlang der senkrechten Richtung 101 die resultierende Federkonstante des Federelements 4 eine Verkippung des Torsionshebelbereichs 6 gegenüber der Haupterstreckungsebene 100 erzielt wird und aufgrund der Hebelwirkung eine Torsion innerhalb der beiden Balkenfederbereiche 5 erzielt wird. Die resultierenden Federeigenschaften der federelastischen Aufhängung werden dann maßgeblich durch Torsionsanteile der Balkenfederbereiche 5 und nicht nur durch Biegeanteile der Balkenfederbereiche 5 bestimmt. Im Unterschied zum Stand der Technik weisen die erste und zweite Balkenstruktur 10, 20 einen größeren Abstand zueinander auf, wobei der Abstand zwischen dem zweiten Endbereich 12 und dem weiteren zweiten Endbereich 22 bevorzugt im Wesentlichen 17 Prozent des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Endbereich 11, 12 und zwischen dem weiteren ersten und dem weiteren zweiten Endbereich 21, 22 umfasst. Das Federelement 3 ist somit als nicht mäandrierte Feder mit großem Schenkelabstand ausgebildet, wobei der Schenkelabstand als lichter Raum an der Stelle des Torsionshebelbereichs 6 messbar ist. Das Federelement 4 wirkt wie eine Kombination aus hintereinandergeschalteten Biegefedern und Torsionsfedern, wobei jedoch durch die geringere Anzahl an Federschenkeln bzw. Biegefedern als in der mäandrierten Ausführung weniger Relativbewegungen der Federteile zueinander möglich. Dadurch reduziert sich die Anzahl der mechanischen Störmoden im unteren Frequenzbereich. Hierdurch wird nun die günstigere Abhängigkeit von technologischen Parametern, insbesondere der Dicke der Balkenfederelemente, und gleichzeitig eine Reduktion der Störmoden im niedrigen Frequenzbereich erreicht. Diese Eigenschaften erleichtern die Auslegung und Absicherung der Sensorstruktur 1' und erhöhen die Ausbeute bzw. verbessern die Systemperformance.
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In 2 ist eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Struktur 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der anhand 1 illustrierten ersten Ausführungsform gleicht, wobei die zweite Ausführungsform im Unterschied zur ersten Ausführungsform keine parallel zueinander verlaufende Biegefederbereiche 5 aufweist. Die erste und zweite Balkenstruktur 10, 20 verlaufen stattdessen in einem Winkel 8 zueinander. Dieser Winkel 8 beträgt insbesondere zwischen 20 und 25 Grad. Auf diese Weise ist eine besonders bauraumkompakte Ausbildung der mikromechanischen Struktur 1 realisierbar, wobei gleichzeitig ein verlängerter Torsionshebelbereich 6 zur Erzielung der oben diskutierten federelastischen Torsionswirkung implementiert wird.
