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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Strukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 19719 779 A1 ein Beschleunigungssensor mit einer über Aufhängefedern beweglich an einem Substrat aufgehängten seismischen Masse bekannt. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors wirken auf die seismische Masse Trägheitskräfte, welche die seismische Masse relativ zum Substrat auslenken. Der Grad dieser Auslenkung wird mittels Detektionsmitteln vermessen. Die Detektionsmittel umfassen eine Kammelektrodenstruktur aus substratfesten Festelektroden und an der seismischen Masse befestigten Gegenelektroden. Zur Vermessung der Auslenkung wird die Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden ausgewertet. Die seismische Masse, die Aufhängefedern und die Gegenelektroden werden bei derartigen Strukturen in einer einzigen Funktionsschicht aus polykristallinem Silizium (im Folgenden als erste funktionale Schicht bezeichnet) ausgebildet, so dass diese Strukturen stets nebeneinander angeordnet sind. Zur elektrischen Kontaktierung dient eine Leiterbahnebene aus einer dünnen polykristallinen Schicht, die zwischen dem Substrat und der seismischen Masse ausgebildet ist und über ein isolierendes Oxid vom Substratwafer getrennt ist.
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Zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen wurde in der Druckschrift
DE 10 2007 060 878 A1 ferner vorgeschlagen, eine weitere Funktionsschicht aus polykristallinem Silizium zu verwenden (im Folgenden als zweite funktionale Schicht bezeichnet). Die Druckschrift
DE 10 2009 000 167 A1 offenbart beispielsweise einen Beschleunigungssensor, welcher mittels zweier getrennter Funktionsschichten aufgebaut ist, während aus der Druckschrift
DE 10 2009 000 345 A1 ein Drehratensensor mit Coriolis-Elementen zur Messung einer Drehgeschwindigkeit bekannt, welcher mittels zweier getrennter Funktionsschichten aufgebaut ist. Der Drehratensensor weist hierbei ein erstes und ein zweites Coriolis-Element auf, die über eine Koppelfeder miteinander verbunden sind und mittels Antriebsmitteln zu gegenphasigen Schwingungen parallel zu einer ersten Achse angeregt werden, wobei ein erstes und ein zweites Detektionsmittel eine Auslenkung des ersten und zweites Coriolis-Elements aufgrund einer beim Vorliegen einer Drehrate 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 Drehgeschwindigkeit des Drehratensensors ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein kompakterer und steiferer Aufbau erzielt wird. Die Anordnung des ersten Teilbereichs der beweglichen Masse zwischen dem Substrat und den zur Aufhängung vorgesehenen Koppelfedern hat den Vorteil, dass der Flächenbedarf für die mikromechanische Struktur reduziert wird und somit die Herstellungskosten gesenkt werden. Ferner wird durch den ersten Teilbereich vorzugsweise eine Kopplung von zweiten Teilbereichen der beweglichen Masse, welche auf Höhe der Koppelfedern angeordnet sind und daher im Bereich der Koppelfedern voneinander getrennt sein müssen, erzielt. Hierdurch wird eine Versteifung der beweglichen Masse realisiert, so dass unerwünschte Störmoden zu höheren Frequenzen verschoben werden und somit die Vibrationsfestigkeit der mikromechanischen Struktur im Vergleich zum Stand der Technik gesteigert wird. Die bewegliche Masse ist vorzugsweise eine seismische Masse, ein Coriolis-Element oder ein Antriebselement für ein Coriolis-Element. Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur umfasst insbesondere ein MEMS-Bauelement (Micro Electro Mechanic System), welches in einem Halbleiterherstellungsprozess gefertigt ist.
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Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der beweglichen Masse und der Koppelfedern entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eine Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens. Vorzugsweise weist die mikromechanische Struktur eine Leiterbahnebene aus einer dünnen polykristallinen Schicht auf, die zur elektrischen Kontaktierung dient und zwischen dem Substrat und der beweglichen Masse ausgebildet ist und über ein isolierendes Oxid vom Substrat getrennt ist.
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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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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur eine erste funktionale Schicht und eine zweite funktionale Schicht aufweist, wobei die erste und die zweite funktionale Schicht entlang der Vertikalrichtung derart zueinander versetzt sind, dass entlang der Vertikalrichtung die erste funktionale Schicht teilweise zwischen dem Substrat und der zweiten funktionalen Schicht angeordnet ist, wobei der erste Teilbereich in der ersten funktionalen Schicht und die Koppelfeder in der zweiten funktionalen Schicht ausgebildet sind. In vorteilhafter Weise wird die mikromechanische Struktur aus zwei funktionalen Schichten aufgebaut, wobei sich insbesondere die bewegliche Masse sowohl aus Elementen (erster Teilbereich) der ersten Schicht als auch aus Elementen (zweiter Teilbereich) der zweiten Schicht zusammensetzt. Auf diese Weise ist der Aufbau einer vergleichsweise starren beweglichen Masse möglich, welche gleichzeitig mit sogenannten innenliegenden Koppelfedern aufgehängt wird. Mit anderen Worten: Die Koppelfedern sind entlang der Haupterstreckungsebene nicht am äußersten Randbereich der beweglichen Masse befestigt, sondern sind innerhalb des äußersten Randbereichs der beweglichen Masse angeordnet, so dass eine besonders flächensparende mikromechanische Struktur erzielt wird. Die erste und/oder zweite funktionale Schicht weisen vorzugsweise jeweils eine Dicke zwischen 1 und 50 Mikrometern auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein zweiter Teilbereich der beweglichen Masse in der zweiten Schicht ausgebildet ist und dabei die Koppelfeder unmittelbar am zweiten Teilbereich angreift. In vorteilhafter Weise ist somit die Erzielung einer gewünschten Masse auf einer vergleichsweise geringen Waferfläche realisierbar. Der erste Teilbereich ist über den zweiten Teilbereich insbesondere mittelbar an die Koppelfedern angebunden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich sich in einem Überlappungsbereich entlang der Vertikalrichtung gegenseitig überlappen und dabei die erste und die zweite funktionale Schicht im Überlappungsbereich unmittelbar miteinander fest verbunden sind oder mittelbar über eine Zwischenschicht miteinander fest verbunden sind, so dass ein vergleichsweise steifer und robuster Aufbau der beweglichen Masse erzielt wird. In vorteilhafter Weise wird somit die Vibrationsfestigkeit der mikromechanischen Struktur weiter erhöht, da das Frequenzspektrum der unerwünschten Störmoden durch die höhere Steifigkeit zu höheren Frequenzen verschoben wird. Insbesondere wird somit der Abstand zu den gewünschten Nutzmoden erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur wenigstens eine Festelektrode aufweist, welche sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt und welche entlang der Vertikalrichtung zwischen dem ersten Teilbereich und dem Substrat angeordnet ist, wobei die Festelektrode und der erste Teilbereich eine Plattenkondensatorstrukur bilden. In vorteilhafter Weise dient der in der ersten funktionalen Schicht ausgebildete erste Teilbereich nicht nur zur Verbindung und zur Versteifung des in der zweiten funktionalen Schicht ausgebildeten zweiten Teilbereichs der beweglichen Masse im Bereich der Koppelfedern, sondern zusätzlich auch als Gegenelektrode für die substratfesten Festelektroden. Auf diese Weise ist eine besonders bauraumkompakte Realisierung der mikromechanischen Struktur zu erzielen, da ein Anbindungsbereich, in welchem die bewegliche Masse über die Koppelfedern aufgehängt ist, und ein Detektionsbereich, in welchem eine Bewegung der beweglichen Masse relativ zum Substrat kapazitiv zu detektieren ist, sich entlang der Vertikalrichtung gegenseitig überlappen können. Vorzugsweise ist die Festelektrode in der Leiterbahnebene aus der dünnen polykristallinen Schicht ausgebildet, die über ein isolierendes Oxid vom Substrat getrennt ist. Die Leiterbahnebene weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,2 und 1.0 Mikrometern, besonders bevorzugt von im Wesentlichen 0,5 Mikrometern auf. Insbesondere weist die mikromechanische Struktur wenigstens zwei zueinander benachbarte und voneinander elektrisch isolierte Festelektroden auf, um mittels einer Veränderung der Überlappungsflächen entlang der Vertikalrichtung eine Auslenkung der beweglichen Masse parallel zur Haupterstreckungsebene zu detektieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur wenigstens eine mit dem Substrat verbundene und in der zweiten funktionalen Schicht ausgebildete Anschlagsfeder aufweist, wobei ein in der ersten funktionalen Schicht ausgebildeter Anschlagsbereich des ersten Teilbereichs der beweglichen Masse entlang der Vertikalrichtung zwischen der Anschlagsfeder und dem Substrat angeordnet ist und wobei die Anschlagsfeder von der beweglichen Masse beabstandet ist. In vorteilhafter Weise ist ein zur beweglichen Masse gerichtetes freistehendes Ende der Anschlagsfeder sowohl senkrecht, als auch parallel zur Haupterstreckungsebene von der beweglichen Masse leicht beabstandet und nicht mit der beweglichen Masse verbunden. Die als Anschlagselemente ausgebildeten Anschlagsfedern haben den Vorteil, dass die maximal mögliche Auslenkung der beweglichen Masse relativ zum Substrat begrenzt wird, um eine Beschädigung der mikromechanischen Struktur bei zu großen Auslenkungen zu verhindern. Die Ausbildung der Anschlagselemente als federelastische Federelemente hat dabei den Vorteil, dass die bewegliche Masse beim Anschlagen an die Anschlagselemente nicht abrupt abgebremst werden, sondern die kinetische Energie der beweglichen Masse durch eine Verbiegung der Anschlagsfedern zumindest teilweise absorbiert wird und die bewegliche Masse somit langsamer abgebremst wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur Teil eines Beschleunigungssensors ist und die bewegliche Masse ein durch externe Beschleunigungskräfte gegenüber dem Substrat auslenkbare seismische Masse umfasst. In vorteilhafter Weise ist der Beschleunigungssensor derart ausgebildet, dass Beschleunigungen parallel zur Haupterstreckungsebene sensierbar sind, da in diesem Fall die bewegliche Masse aufgrund von Trägheitskräften parallel zur Haupterstreckungsebene relativ zum Substrat ausgelenkt wird und sich die Überlappungsfläche zwischen den Festelektroden und den als Gegenelektrode fungierenden ersten Teilbereichen in der ersten funktionalen Schicht verändert. Die Veränderung der Überlappungsfläche führt dann zu einer elektrisch auswertbaren Kapazitätsveränderung. Alternativ wäre auch denkbar, dass eine Auslenkung der seismischen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene detektiert wird, um Beschleunigungen senkrecht zur Haupterstreckungsebene detektieren. Hierbei wird dann eine auf einer Abstandsänderung zwischen den Festelektroden und den als Gegenelektrode fungierenden ersten Teilbereichen in der ersten funktionalen Schicht basierenden Kapazitätsänderung detektiert und ausgewertet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur Teil eines Drehratensensor ist, wobei die bewegliche Masse ein beim Vorliegen einer Drehrate durch Corioliskräfte gegenüber dem Substrat auslenkbares Corioliselement umfasst und/oder wobei die bewegliche Masse ein durch ein Antriebsmittel zu Schwingungen antreibbares Antriebselement umfasst, welcher über Antriebsfedern mit einem beim Vorliegen einer Drehrate durch Corioliskräfte gegenüber dem Substrat auslenkbaren Corioliselement gekoppelt ist. Die mikromechanische Struktur bildet somit insbesondere einen Teil eines solchen Drehratensensors, der zur Detektion von Drehraten parallel zur Haupterstreckungsebene ausgebildet ist. Die bewegliche Masse ist dabei das Coriolis-Element und/oder das Antriebselement für das Coriolis-Element. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, wenn der erste Teilbereich zwischen den Kopplungsfedern und dem Substrat angeordnet ist, da hierdurch eine besonders bauraumkompakte und steife Ausbildung des Coriolis-Elements und/oder des Antriebsrahmens zu erzielen ist, wodurch eine kostengünstige Herstellung und eine hohe Vibrationsfestigkeit realisierbar sind. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Detektionselektroden zur Detektion der Auslenkung des Coriolis-Elements oder zur Überwachung der Antriebsschwingung des Antriebselements in dem jeweiligen ersten Teilbereich ausgebildet sind, um weiteren Flächenbedarf zu reduzieren. Das Antriebselement umfasst vorzugsweise einen Antriebsrahmen, welcher das Coriolis-Element zumindest teilweise umrahmt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur Teil eines Aktuators ist und die bewegliche Masse einen durch ein Antriebsmittel antreibbares Aktuatormittel umfasst. In vortelihafter Weise wird somit ein besonders robuster und bauraumkompakter Aktuator realisiert.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur, wobei in einem ersten Herstellungsschritt das Substrat bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Herstellungsschritt die erste funktionale Schicht angeordnet wird und der erste Teilbereich der beweglichen Masse in der ersten funktionalen Schicht ausgebildet wird und wobei in einem dritten Herstellungsschritt die zweite funktionale Schicht angeordnet wird und die Kopplungsfeder in der zweiten funktionalen Schicht derart ausgebildet wird, dass entlang der Vertikalrichtung der erste Teilbereich zwischen dem Substrat und dem Federelement angeordnet ist. in vorteilhafter Weise wird somit die Herstellung einer im Vergleich zum Stand der Technik robusteren und kompakteren mikromechanischen Struktur unter Verwendung von Standard-Halbleiterherstellungsprozessen ermöglicht, so dass eine besonders kostengünstige Herstellung erzielt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten Herstellungsschritt ein zweiter Teilbereich der beweglichen Masse in der zweiten funktionalen Schicht ausgebildet wird und/oder wobei in einem zwischen dem zweiten und dem dritten Verfahrensschritt ausgeführten Zwischenschritt eine Zwischenschicht auf der ersten funktionalen Schicht angeordnet wird und die Zwischenschicht derart strukturiert wird, dass der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich in einem Überlappungsbereich über die Zwischenschicht starr miteinander verbunden sind. In vorteilhafter Weise wird die bewegliche Masse sowohl aus der ersten funktionalen Schicht als auch aus der zweiten funktionalen Schicht gebildet, so dass eine starre Überbrückung von Bereichen, in denen die Kopplungsfedern angeordnet sind, ermöglicht wird.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1a und 1b schematische Ansichten einer als Beschleunigungssensor ausgebildeten mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische Ansicht einer als Beschleunigungssensor ausgebildeten mikromechanischen Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine schematische Ansicht einer als Drehratensensor ausgebildeten mikromechanischen Struktur gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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4a und 4b schematische Ansichten einer als Drehratensensor ausgebildeten mikromechanischen Struktur gemäß einer vierten 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 1a ist eine schematische Schnittbildansicht und in 1b eine schematische Aufsichtsdarstellung einer als Beschleunigungssensor 40 ausgebildeten mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die mikromechanische Struktur 1 umfasst ein Substrat 2 und eine gegenüber dem Substrat 2 beweglich aufgehängte bewegliche Masse 3. Die bewegliche Masse 3 ist mittels Kopplungsfedern 4 federelastisch an substratfesten Substratverankerungen 31 befestigt. Die bewegliche Masse 3 umfasst einen ersten Teilbereich 5, welcher in einer ersten funktionalen Schicht 10 der mikromechanischen Struktur 1 ausgebildet ist, und einen zweiten Teilbereich 6, welcher in einer zweiten funktionalen Schicht 20 der mikromechanischen Struktur 1 ausgebildet ist. Der zweite Teilbereich 6 fungiert als Rahmenelement, an welchem die Kopplungsfedern 4 unmittelbar angreifen. Die Kopplungsfedern 4 sind vorzugsweise als U-Federn ausgebildet, welche eine Bewegung der beweglichen Masse 3 parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2 erlauben. Die Kopplungsfedern 4 sind ferner als innenliegende Federstrukturen ausgebildet. Mit anderen Worten: Die Kopplungsfedern 4 sind entlang der Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen von dem als Rahmen ausgebildeten zweiten Teilbereich 6 umrahmt bzw. eingeschlossen, so dass eine möglichst bauraumkompakte Anordnung erzielt wird. Der erste und der zweite Teilbereich 5, 6 sind in ihren Überlappungsbereichen 7 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 senkrechten Vertikalrichtung 101 starr miteinander verbunden, beispielsweise über eine als Oxidschicht ausgebildete Zwischenschicht 30 zwischen der ersten und der zweiten funktionalen Schicht 10, 20. Die mikromechanische Struktur 1 weist ferner Festelektroden 8, 8' auf, welche in einer zwischen der ersten funktionalen Schicht 10 und dem Substrat 2 liegenden Leiterbahnebene ausgebildet sind. Vorzugsweise überlappen zwei nebeneinander angeordnete Festelektroden 8, 8' entlang der Vertikalrichtung 101 zumindest teilweise mit dem ersten Teilbereich 5, so dass Teile des ersten Teilbereichs 5 als Gegenelektrode für die Festelektroden 8, 8' fungieren und eine Plattenkondensatorstruktur aus Fest- und Gegenelektroden realisiert wird. Bevorzugt weist die bewegliche Masse 3 einen als Gegenelektrode fungierenden ersten Teilbereich 5 auf, welcher entlang der Vertikalrichtung 101 zwischen einer Kopplungsfeder 5 und zwei voneinander benachbarten und elektrisch voneinander isolierten Festelektroden 8, 8' angeordnet ist. Wenn nun eine Beschleunigung auf die mikromechanische Struktur 1 entlang der Haupterstreckungsebene 100 wirkt, wird die bewegliche Masse 3 gegenüber dem Substrat 2 aufgrund von Trägheitskräften entlang der Haupterstreckungsebene 100 ausgelenkt. Bei einer solchen Auslenkung der beweglichen Masse 3 relativ zum Substrat 2 verändern sich die jeweiligen Überlappungsflächen zwischen der einen Festelektrode 8 und der Gegenelektrode auf der einen Seite und der benachbarten anderen Festelektrode 8' und der Gegenelektrode auf der anderen Seite zueinander gegenläufig, so dass auch eine gegenläufige Kapazitätsänderung detektierbar ist und die Auslenkung der beweglichen Masse 3 im Rahmen einer differentiellen Auswertung bestimmbar ist. In vorteilhafter Weise ist der Flächenbedarf der mikromechanischen Struktur 1 deutlich reduziert, da der gleiche Flächenbereich zur Ausbildung von Detektionsmitteln und zur Anordnung der Kopplungsfedern verwendet wird. Auf diese Weise können insbesondere vergleichsweise große Federelemente, welche eine Auslenkung der beweglichen Masse 3 entlang der Haupterstreckungsebene 100 mit vergleichsweise großen Amplituden erlaubt, realisiert werden. Ferner wird eine Realisierung größerer Kondensatorflächen der Plattenkondensatorstrukturen ermöglicht, so dass bei gleichbleibendem Raumbedarf für die mikromechanische Struktur 1 eine Erhöhung der Sensorempfindlichkeit zu erzielen ist. Die mikromechanische Struktur 1 wird hergestellt, indem zunächst das Substrat 2 bereitgestellt wird, dann die Festelektroden 8, 8' auf dem Substrat 2 angeordnet werden, anschließend die erste funktionale Schicht 10 zur Erzeugung der ersten Teilbereiche 5 abgeschieden und entsprechend strukturiert wird und abschließend die zweite funktionale Schicht 20 zur Erzeugung des zweiten Teilbereichs 6 und der Kopplungsfedern 4 abgeschieden und entsprechend strukturiert wird.
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Es ist auch denkbar, dass eine zur Vertikalrichtung 101 parallele Beschleunigung mit der mikromechanischen Struktur 1 detektierbar ist. Wenn eine Beschleunigung auf die mikromechanische Struktur 1 entlang der Vertikalrichtung 101 wirkt, wird die bewegliche Masse 3 gegenüber dem Substrat 2 aufgrund von Trägheitskräften senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 ausgelenkt. Hierdurch verändert sich der Abstand zwischen den Festelektroden 8, 8' und den als Gegenelektroden fungierenden Bereichen der ersten Teilbereiche 5, welche zur Bestimmung der Beschleunigung über eine Kapazitätsänderung detektierbar und quantitativ auswertbar ist.
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In 2 ist eine schematische Ansicht einer als Beschleunigungssensor 40 ausgebildeten mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der anhand 1a und 1b illustrierten ersten Ausführungsform gleicht, wobei im Unterschied die mikromechanische Struktur 1 gemäß der zweiten Ausführungsform vier Anschlagsfedern 21 aufweist. Die Anschlagsfedern 21 dienen zum Begrenzen einer maximalen Auslenkung der beweglichen Masse 3 entlang der Vertikalrichtung 101. Jede Anschlagsfeder 21 weist ein über eine Substratverankerung 31 an das Substrat 2 angebundenes Ende und ein in Richtung der beweglichen Masse 3 gerichtetes freistehendes Ende auf. Das freistehende Ende ist jeweils von dem ersten Teilbereich 5 entlang der Vertikalrichtung 101 und von dem zweiten Teilbereich 6 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Richtung beabstandet. Die Anschlagsfedern 21 sind vorzugsweise ebenfalls in der zweiten funktionalen Schicht 20 ausgebildet, so dass ein Anschlagsbereich 22 des ersten Teilbereichs 5 entlang der Vertikalrichtung 101 zwischen jeder der Anschlagsfedern 21 und dem Substrat 2 angeordnet ist. Die Anschlagsfeder 21 weist an ihrem freistehenden Ende eine federnde Gegenanschlagsfläche für den Anschlagsbereich 22 auf. Denkbar ist, dass die Anschlagsfedern 21 gleichzeitig auch als Funktionsfedern beispielsweise zur Erhöhung der Rückstellkraft des Sensors dienen, sobald der Anschlagsbereich 22 in Kontakt mit der Anschlagsfeder 21 kommt.
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In 3 ist eine schematische Ansicht einer als Drehratensensor 41 ausgebildeten mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die mikromechanische Struktur 1 gemäß der dritten Ausführungsform weist zwei bewegliche Massen 3 auf, welche als Coriolis-Elemente 70, 70' fungieren. Die beweglichen Massen 3, 3' sind über eine Corioliskoppelfeder federelastisch miteinander gekoppelt. Ferner sind die beweglichen Massen 3, 3' über Koppelfedern 4, 4' jeweils an einem als Antriebsrahmen ausgebildeten Antriebselement 14, 14' federelastisch aufgehängt. Die beiden Antriebsrahmen sind jeweils mittels weiterer Kopplungsfedern 50, 50' am Substrat 2 federelastisch aufgehängt. Die mikromechanische Struktur 1 weist ferner Antriebsmittel 12, 12' in Form von Kammantrieben auf, welche die beiden Antriebsrahmen zu gegenphasigen Schwingungen entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Schwingungsrichtung 102 antreiben. Die entsprechenden Schwingungen werden von den Antriebsrahmen über die Koppelfedern 4, 4' jeweils auf die beweglichen Massen 3, 3' übertragen. Beim Vorliegen einer Drehrate entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen und zur Schwingungsrichtung 102 senkrechten Sensierrichtung 103 wirken auf die beweglichen Massen 3, 3' Corioliskräfte entlang der Vertikalrichtung 101, wodurch die beweglichen Massen 3, 3' gegenphasig in Richtung des Substrats 2 oder vom Substrat 2 weg ausgelenkt werden. Die Auslenkung wird mittels zweier substratfester Festelektroden 8, 8' kapazitiv detektiert (in 3a aus perspektivischen Gründen nicht zu sehen). Die Festelektroden 8, 8' sind zwischen dem Substrat 2 und der jeweiligen beweglichen Masse 3, 3' angeordnet. Jede der beiden beweglichen Massen 3, 3' umfasst nun einen ersten Teilbereich 5, 5', welcher in einer ersten funktionalen Schicht 10 ausgebildet ist, und einem zweiten Teilbereich 6, 6', welcher in einer zweiten funktionalen Schicht 20 ausgebildet ist. Der erste und der zweite Teilbereich 5, 5', 6, 6' sind somit entlang der Vertikalrichtung 101 zueinander versetzt angeordnet. Ferner sind der erste und der zweite Teilbereich 5, 5', 6, 6' in ihrem gemeinsamen Überlappungsbereich 7, 7' starr miteinander verbunden. Die Koppelfedern 4, 4' sind im Unterschied zu den beweglichen Massen 3, 3' nur in der zweiten funktionalen Schicht 20 ausgebildet, so dass die Koppelfedern 4, 4' ungehindert über die ersten Teilbereiche 5, 5' verlaufen können. Die beweglichen Massen 3, 3' sind nun derart aus den ersten und zweiten Teilbereichen 5, 5', 6, 6'' aufgebaut, dass die ersten Teilbereich 5, 5' über die Randbereiche der zweiten Teilbereiche 6, 6' entlang der Haupterstreckungsebene 100 überstehen, wobei in den Randbereichen die Koppelfedern 4, 4' verlaufen. Die Fläche der ersten Teilbereiche 5, 5' ist somit größer als die Fläche der zweiten Teilbereiche 6, 6'. Die ersten Teilbereiche 5, 5' fungieren als Gegenelektroden für die Festelektroden 8, 8', so dass auch die Festelektroden 8, 8' entsprechend größer ausgebildet werden können. Im Ergebnis sind die Plattengrößen der Plattenkondensatorstruktur größer, ohne dass hierfür ein erhöhter Flächenbedarf notwendig ist. Die Vergrößerung der Plattengrößen dient vorteilhafterweise zur Steigerung der Kapazität und somit der Sensorempfindlichkeit.
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In 4a und 4b sind schematische Ansichten einer als Drehratensensor 41 ausgebildeten mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der anhand 3 illustrierten dritten Ausführungsform gleicht, wobei im Unterschied die als Antriebsrahmen ausgebildeten Antriebselemente 14, 14' gemäß der vierten Ausführungsform ebenfalls in der ersten funktionalen Schicht 10 ausgebildete weitere erste Teilbereiche 60, 60' aufweisen. Diese weiteren ersten Teilbereich 60, 60' der Antriebsrahmen sind mit den in der zweiten funktionellen Schicht 20 ausgebildeten weiteren zweiten Teilbereiche 61, 61' jeweils fest verbunden. In vorteilhafter Weise dienen die weiteren ersten Teilbereiche 60, 60' zur Versteifung der aus 3 bekannten Antriebsrahmen, so dass unerwünschte Verformungen der Antriebsrahmen aufgrund der Antriebsschwingungen unterdrückt oder zumindest zu höheren Frequenzen verschoben werden. Der Flächenbedarf für den Drehratensensor 41 wird hierbei vorteilhafterweise nicht vergrößert, da die weiteren ersten Teilbereiche 60 sich in Vertikalrichtung 101 mit den weiteren Kopplungsfedern 50, 50' ungestört überlappen. Dies wird dadurch erreicht, dass die weiteren ersten Teilbereiche 60, 60' nur in der ersten funktionalen Schicht 10 ausgebildet sind, während die weiteren Kopplungsfedern 50, 50' nur in der zweiten funktionalen Schicht 20 ausgebildet sind. In 4b ist zur Veranschaulichung die erste funktionale Schicht 10 des in 4a illustrierten Drehratensensors 41 dargestellt. Es ist zu sehen, dass in der ersten funktionalen Schicht 10 lediglich die ersten Teilbereiche 5, 5' der als Coriolis-Elemente 70, 70' ausgebildeten beweglichen Massen 3, 3' und die weiteren ersten Teilbereiche 60, 60' der als Antriebsrahmen ausgebildeten beweglichen Massen dargestellt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19719779 A1 [0002]
- DE 102007060878 A1 [0003]
- DE 102009000167 A1 [0003]
- DE 102009000345 A1 [0003]
