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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur.
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Stand der Technik
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Heutzutage finden mikroelektromechanische Systeme (engl. micro electro mechanical systems, MEMS) in einer sehr großen Anzahl von Produkten (z.B. Inertialsensoren im Automotive-Bereich) verbreitete Anwendung. In derartigen Systemen werden vorwiegend aus Silizium hergestellte, filigrane mechanische Strukturen mit hochpräzisen elektronischen Schaltungen kombiniert, um diverse Funktionen in miniaturisierter Form zu realisieren.
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Oftmals werden in den genannten MEMS-Systemen sich bewegende bzw. mechanischen Spannungen ausgesetzte Strukturen verwendet. Dabei werden bei Sensoranwendungen aus einer Schwingung, Form, Position usw. der Strukturen Rückschlüsse auf diverse Messgrößen (z.B. Beschleunigung, Drehrate, Druck, usw.) gezogen. Bei Aktoranwendungen werden die genannten Eigenschaften zu einer Beeinflussung der Umgebung verwendet.
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Um die beschriebenen Funktionen erfüllen zu können, müssen die Strukturen mechanisch deformierbar sein. Die deformierbaren Strukturen können in der Regel aber sowohl gewollte als auch ungewollte Deformationen und Schwingungen erfahren. Die gewollten Deformationen und Schwingungen sind für die Funktion notwendig, wobei die ungewollten Deformationen und Schwingungen aus physikalischen Gründen generiert werden.
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Eine Vermeidung, Reduzierung bzw. Einstellung der Charakter der gewollten und ungewollten Deformationen und Schwingungen kann einen wesentlichen Anteil eines Entwicklungsaufwandes ausmachen. Dabei müssen mechanische Eigenschaften des Siliziums in Betracht gezogen, wobei Silizium mechanisch sehr gut beanspruchbar ist, aber nur eine sehr kleine Eigendämpfung aufweist. Daher ist es wichtig, dass die ungewollten Deformationen bzw. Schwingungen reduziert bzw. gedämpft werden, damit die vorgesehene Funktionalität möglichst nicht beeinträchtigt ist.
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Die oben genannte Optimierung der Deformationen und Schwingungen kann mittels unterschiedlicher technischer Mittel erfolgen. Aus
DE 10 2009 045 541 A1 ist beispielsweise bekannt, dass zu diesem Zweck mechanische Anschläge vorgesehen sind. Die mechanischen Anschläge sind jedoch nur in gewissen Richtungen und nur bei kritischen Amplituden wirksam, üben aber einen wesentlichen Einfluss auf das System aus, was die Funktion beeinträchtigen kann.
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Bekannt ist ferner, dass zu diesem Zweck Medien (Gase, Dämpfe, Flüssigkeiten, usw.) eingesetzt werden (siehe z.B. Stephen Terry, „A miniature silicon accelerometer with built-in damping", Solid State Sensor and Actor Workshop, Technical Digest, 1988, Hilton Head Island, U.S.A., Seiten 114–116). Die Medien sind jedoch auch bei noch unkritischen Amplituden effektiv, die selektive Dämpfung ungewollter Schwingungsmodi kann dadurch nur eingeschränkt realisiert werden.
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Ferner können zu diesem Zweck elektrische und/oder magnetische Felder zu einer Anregung der mikromechanischen Strukturen verwendet werden (siehe z.B. Martin Handtmann „Dynamische Regelung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) mit Hilfe kapazitiver Signalwandlung und Kraftrückkopplung, Dissertation TU München, 2002). Die Felder können die Deformationen und Schwingungen hochpräzise steuern, sind aber nur in gewissen Richtungen funktionsfähig, wobei großflächige, feststehende Strukturen erforderlich sind.
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Das Beherrschen der Schwingungen erfordert eine Ableitung von Energie. Dabei wird die Energie bei Anschlägen mittels einer mechanischen Deformation, bei den genannten Medien mittels Strömungsverlusten und bei den genannten Feldern mittels Gegenfeldern dissipiert.
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Eine Form der Energiedissipation wird auch beim sogenannten „Energie-Harvester“ vorgeschlagen (siehe z.B. W.J.Choi, Y. Jeon, J. – H. Jeon, R. Sood, S.G. Kim, „Energy harvesting MEMS device based on thin film piezoelectric cantilevers", Journal of Electroceramics, 2006, Seiten 543–548). In dort vorgeschlagenen Vorrichtungen wird elektrische Energie aus gezielt erzeugten Schwingungen generiert.
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Ohne die genannten Verfahren könnten Fehler im System auftreten, wenn z.B. Überlast, Ermüdung, Nichtlinearität, irreversible Versetzung der Strukturen usw. unerwünschte Wirkungen realisieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur definierten Dämpfung von mikromechanischen Strukturen bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer mikromechanischen Struktur, aufweisend:
- – wenigstens einen elastisch deformierbaren ersten Bereich, der wenigstens abschnittsweise einen definiert piezoelektrisch dotierten zweiten Bereich aufweist;
- – wenigstens einen vierten Bereich, in den die im zweiten Bereich generierten elektrischen Ladungen leitbar sind; und
- – wenigstens einen mit dem zweiten und dem vierten Bereich elektrisch verbundenen dritten Bereich, in welchem ein durchfließender elektrischer Strom in thermische Energie umwandelbar ist.
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Mittels der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur kann vorteilhaft Energie von parasitären Schwingungen der mikromechanischen Struktur entkoppelt werden. Elektrische Energie wird aus einer Schwingungsenergie des schwingenden Elements generiert, die von der mechanischen Energie subtrahiert und in thermische Energie umgewandelt wird, wodurch die mechanische Energie schneller unschädlich gemacht werden kann. Im Ergebnis kann auf diese Weise mechanische Bewegung gedämpft werden. Die genannten Effekte können mittels gezielter Dotierungen in ausgewählten Bereichen der mechanischen Struktur durchgeführt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur, aufweisend die Schritte:
- a) Ausbilden von wenigstens einem ersten elastisch deformierbaren Bereich;
- b) Wenigstens abschnittsweises piezoelektrisches Dotieren des ersten Bereichs in einem zweiten Bereich;
- c) Leitendes Dotieren von wenigstens einem dritten Bereich;
- d) Ausbilden eines vierten Bereichs, in den die im zweiten Bereich generierbaren elektrischen Ladungen ableitbar sind; und
- e) Elektrisches Verbinden des zweiten, dritten und vierten Bereichs.
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Bevorzugte Ausführungsformen der mikromechanischen Struktur bzw. des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine Ausführungsform der mikromechanischen Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass der dritte Bereich leitfähig mit einem definierten ohmschen Widerstandswert dotiert ist. Auf diese Weise kann eine Struktur realisiert werden, in der durchfließender elektrischer Strom in thermische Energie umwandelbar ist.
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Eine weitere Ausführungsform der mikromechanischen Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Bereich eine definierte Kapazität aufweist. Auf diese Weise kann ein Stromfluss zwischen einem als Quelle wirkenden zweiten Bereich, in dem elektrische Ladungen generiert werden, zu einem als Senke wirkenden vierten Bereich, in den die elektrischen Ladungen aus der Quelle fließen, zu Stande kommen, wodurch im ohmsch dotierten dritten Bereich die Energie der elektrischen Ladungen in thermische Energie wandelbar ist. Auf diese Weise können sowohl im zweiten und im vierten Bereich elektrische Ladungen generiert werden, wodurch ein alternierender Stromfluss durch den dritten Bereich zustande kommt und damit eine verbesserte Dämpfungswirkung unterstützt ist.
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Eine Ausführungsform der mikromechanischen Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Bereich und der vierte Bereich piezoelektrisch dotiert sind und wenigstens partiell im elastisch deformierbaren ersten Bereich angeordnet sind. Auf diese Weise sind eine vergrößerte elektrische Spannung und daraus resultierend ein verstärkter alternierender Stromfluss durch den dritten Bereich und damit eine verbesserte Dämpfungswirkung unterstützt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der mikromechanischen Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Bereich und der vierte Bereich piezoelektrisch dotiert sind und wenigstens partiell jeweils in unterschiedlichen deformierbaren ersten Bereichen angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine Designvielfalt für die mikromechanische Struktur unterstützt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass die zweiten und vierten Bereiche piezoelektrisch dotiert und derart positioniert sind, dass durch mechanische Spannungen im zweiten und vierten Bereich generierte elektrische Ladungen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Auch auf diese Weise ist ein guter Stromfluss durch den dritten Bereich und damit eine gute Dämpfungswirkung der Struktur unterstützt. Zudem sind dadurch vielfältige Kombinationen von Bereichen realisierbar. Beispielsweise ist dadurch ein die zweiten piezoelektrisch dotierten Bereiche verbindender räumlich ausgebildeter Widerstand möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Struktur sieht vor, dass der zweite, dritte und vierte Bereich wenigstens partiell überlappend ausgebildet sind. Auf diese Weise wird eine Leitungsstruktur realisiert, die einen elektrischen Stromfluss zwischen der Ladungsquelle und der Ladungssenke ermöglicht.
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Eine Ausführungsform der Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass elektrische Verbindungen der Bereiche leitfähig dotierte Leiterbahnstrukturen aufweisen. Auf diese Weise kann die elektrische Energie in definierter Weise vom Bereich der Generierung über den ohmsch dotierten Bereich zum Bereich der Ladungssenke abgeleitet werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass der dritte Bereich räumlich verteilt ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine spezifische Ausbildung des Widerstandsbereichs realisiert, die eine platzsparende Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie unterstützt.
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Eine weitere Ausführungsform der mikromechanischen Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass der Widerstandswert des dritten Bereichs von wenigstens einer der folgenden Größen abhängt: Temperatur, Schwingungsamplitude, Schwingungsphase, Schwingungsgeschwindigkeit, Größe von elektromagnetischen Feldern, externes Steuerungssignal. Dadurch lässt sich vorteilhaft eine von unterschiedlichen Parametern abhängige Funktionsweise des ohmsch dotierten zweiten Bereichs realisieren. Eine Auslegungsvielfalt der mikromechanischen Struktur ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.
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Eine weitere Ausführungsform der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass die den dritten Bereich mit anderen Bereichen verbindenden Leitungsstrukturen derart ausgebildet sind, dass deren elektrische Leitfähigkeit von wenigstens einer der folgenden Größen abhängt: Temperatur, Schwingungsamplitude, Schwingungsphase, Schwingungsgeschwindigkeit, Größe von elektromagnetischen Feldern, externes Steuerungssignal. Auch auf diese Weise ist vorteilhaft eine Dimensionierung der Energiekonversion unterstützt.
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Eine weitere Ausführungsform der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass eine mit dem dritten Bereich elektrisch verbundene Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, deren Schaltschwelle von wenigstens einer der folgenden Größen abhängt: Temperatur, Schwingungsamplitude, Schwingungsphase, Schwingungsgeschwindigkeit, Größe von elektromagnetischen Feldern, externes Steuerungssignal. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Dimensionierung der Dämpfung der mechanischen Schwingungsenergie des schwingfähigen ersten Bereichs unterstützt.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Vorteilen und Merkmalen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren bzw. unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind insbesondere zu einem prinzipiellen Verständnis der Erfindung gedacht und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine prinzipielle Darstellung einer Wirkungsweise der mikromechanischen Struktur;
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2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur;
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3 und 4 prinzipielle Darstellungen einer Erzeugung von elektrischer Ladung mittels der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur;
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5 bis 8 weitere Ausführungsformen der mikromechanischen Struktur;
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9 eine Blockschaltbild eines mikromechanischen Bauelements mit der mikromechanischen Struktur; und
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10 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass definierte Bereiche von Silizium-Grundmaterial einer mikromechanischen Struktur während eines Herstellungsprozesses gezielt mit Fremdmaterial dotiert werden, damit in den genannten Bereichen piezoelektrische Eigenschaften realisiert werden. Mittels piezoelektrischer Energiekonversion können die in deformierten bzw. schwingenden Bereichen der mikromechanischen Struktur gespeicherten mechanischen Spannungen in elektrische Ladungen umgewandelt werden.
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Die erzeugten elektrischen Ladungen bleiben zunächst am Ort ihrer Entstehung, und stellen solange keine Dämpfung für die Schwingung dar, solange sie nicht abgeleitet werden. Falls die deformierten bzw. schwingenden Strukturen in die Grundstellung zurückkehren, verschwinden zusammen mit den mechanischen Spannungen auch die Ladungen. Wenn die elektrischen Ladungen vom Ort ihrer Generierung abgeleitet werden, kann eine definierte Energiedissipation bzw. Umwandlung von mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie realisiert werden.
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Die Ableitung der erzeugten elektrischen Ladungen kann grundsätzlich mittels gezielt in das Grundmaterial dotierter Leitungen erfolgen. Die Leitungen können die verschiedenen mechanisch beanspruchten Stellen elektrisch miteinander verbinden, damit ein Ladungsaustausch stattfindet. Die mechanische Beanspruchung kann je nach Richtung (Druck oder Zug) und Art der Dotierung (positiv oder negativ) entgegengesetzte Ladungen erzeugen. Der Austausch dieser Ladungen verändert die Eigenschaften der ursprünglich undotierten Strukturen und ermöglicht somit deren Optimierung hinsichtlich ihrer mechanischen Dämpfungs- bzw. Schwingungseigenschaften. Im Ergebnis kann auf diese Weise eine dämpfungstechnische Optimierung der gesamten Struktur erreicht werden.
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1 zeigt prinzipiell ein Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 100, die piezoelektrisch dämpfungsfähig ist. Man erkennt einen ersten elastisch deformierbaren ersten Bereich 10 (z.B. eine Feder), wobei der erste Bereich einen zweiten Bereich 10a aufweist, der piezoelektrisch dotiert ist. Der erste Bereich 10 mit dem zweiten Bereich 10a wirkt funktional mit einem dritten Bereich 20 zusammen, der als ein ohmsch dotierter Bereich ausgebildet ist, und auf diese Weise eine Funktionalität eines ohmschen Widerstands realisiert. Ein vierter Bereich 30 stellt eine Ladungssenke dar, zu der die im zweiten Bereich 10a generierten elektrischen Ladungen abgeführt werden.
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Dabei kann der vierte Bereich 30 vorzugsweise eine definierte Kapazität aufweisen und realisiert auf diese Weise funktional einen Kondensator. Alternativ kann der vierte Bereich 30 auch als ein Masseanschluss ausgebildet sein. Aufgrund des von der Ladungsquelle des zweiten Bereichs 10a zur Ladungssenke des vierten Bereichs 30 fließenden elektrischen Ladungen fließt ein Strom durch den dritten Bereich 20, wodurch der elektrische Strom innerhalb des dritten Bereichs 20 in thermische Energie umgewandelt wird und dadurch die kinetische Schwingungsenergie des elastisch deformierbaren ersten Bereichs 10 verringert bzw. dämpft. Im Ergebnis wird dadurch eine piezoelektrisch gedämpfte mikromechanische Struktur 100 bereitgestellt.
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Obwohl die in 1 dargestellte mechanische Struktur 100 jeweils nur einen ersten Bereich 10, einen zweiten Bereich 10a, einen dritten Bereich 20 und einem vierten Bereich 30 aufweist, ist es selbstverständlich denkbar, dass die Struktur 100 auch jeweils mehrere der genannten Bereiche 10, 10a, 20, 30 aufweisen kann.
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Grundsätzlich ist vorgesehen, dass der zweite Bereich 10a piezoelektrisch dotiert ist und sich räumlich wenigstens partiell am bzw. im deformierbaren ersten Bereich 10 angeordnet ist. Ferner ist die grundsätzliche Struktur dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich 20 leitfähig mit einem definierten ohmschen Widerstandswert dotiert ist. Diese Weise wird ein Widerstand gebildet, in dem die entstandene elektrische Ladungsenergie definiert in thermische Energie umgesetzt werden kann. Ferner zeichnet sich die grundsätzliche Struktur 100 dadurch aus, dass der dritte Bereich 20 elektrisch mit dem zweiten und dem vierten Bereich 10a, 30, die eine Ladungsquelle und eine Ladungssenke repräsentieren, verbunden ist.
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Im Prinzip stellt das erfindungsgemäße System somit eine Art von oszillierendem elektrischem Stromkreis dar, in dem elektrische Ladungsträger generiert werden, in welchem ein elektrischer Strom aus freien Ladungsträgern erzeugt wird, der in einem Widerstandselement in definierter Weise in thermische Energie konvertiert wird.
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Zu einer Handhabung der elektrischen Ladungen stehen prinzipiell mehrere der nachfolgend erläuterten Möglichkeiten zur Verfügung.
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Passive Dämpfung
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Falls die Zug- und Druckbeanspruchung ausgesetzten Bereiche der mikromechanischen Struktur piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, entstehen bei dieser Art von Beanspruchung elektrische Ladungen. Falls zwei mit entgegengesetzter Polarität geladene Stellen durch einen Widerstand verbunden werden, entsteht ein elektrischer Stromfluss, der im Widerstand in thermische Energie umgesetzt wird. Unter „entgegengesetzter Polarität“ sind hier unterschiedliche zweite Bereiche 10a zu verstehen, in denen bei einer mechanischen Spannung auf die Bereiche 10a freie Ladungsträger in Form von Elektronen oder Löchern erzeugt werden. Der elektrische Strom leitet somit gewissermaßen mechanische Energie von der Schwingerstruktur ab, um auf diese Weise die unerwünschten Schwingungen zu dämpfen.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mikromechanischen Struktur 100 mit einer Masse 1, einem deformierbaren, elastischen ersten Bereich 10 in Form einer Feder und einem Anker 2. Dabei bildet die Feder ein elastisches, schwingfähiges System, welches sich mechanisch dehnen bzw. kontrahieren kann. 1 deutet mittels eines Doppelpfeils oberhalb der Masse 1 an, in welche Richtungen die Masse 1 beispielsweise beweglich ist, um damit die Feder zu belasten. Innerhalb des ersten Bereichs 10 sind zwei zweite Bereiche 10a, 10b erkennbar, die definiert piezoelektrisch dotiert sind. Zu einem besseren Verständnis sind die Bereiche 10a, 10b dreidimensional und freigestellt dargestellt, sind in der Praxis jedoch integral innerhalb der Feder angeordnet. Der piezoelektrisch dotierte Bereich 10a ist durch „R“ indiziert, womit angedeutet werden soll, dass der Bereich 10a an der rechten Seite der Struktur 100 angeordnet ist. Der Bereich 10b ist zusätzlich mit „L“ indiziert, womit angedeutet werden soll, dass der Bereich 10b an der linken Seite der mikromechanischen Struktur 100 angeordnet ist.
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Eine Herstellung der piezoelektrisch dotierten zweiten Bereiche 10a, 10b kann derart erfolgen, dass die Bereiche 10a, 10b während der Herstellung der Struktur 100 beispielsweise einer definierten Ionen-Strahlung ausgesetzt werden. Auf Grund der piezoelektrischen Dotierung können somit bei einer Deformation bzw. Schwingung der Feder in den Bereichen 10a, 10b elektrische Ladungen generiert werden. Die beiden Bereiche 10a, 10b sind in der Variante von 1 räumlich voneinander getrennt, es ist jedoch auch denkbar, dass beispielsweise aufgrund von Toleranzen eines Herstellungsverfahrens die beiden Bereiche 10a, 10b an wenigstens einem Abschnitt funktionell und strukturell miteinander verbunden sind, wodurch im Ergebnis ein einziger piezoelektrisch dotierter Bereich realisiert wird (nicht dargestellt). Dadurch kann vorteilhaft Prozessstreuungen Rechnung getragen werden, so dass eine funktionierende Struktur auch dann vorliegt, wenn die beiden zweiten Bereiche 10a, 10b voneinander nicht strukturell separiert sind.
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3 zeigt prinzipiell eine Wirkungsweise der Ladungsgenerierung in den zweiten Bereichen 10a, 10b. Man erkennt, dass bei einer Auslenkung der Masse 1 und damit des ersten Bereichs 10 nach rechts die rechte Seite des ersten Bereichs 10 gestaucht wird und als Folge an der rechten Seiter des ersten Bereichs 10 im Bereich 10a positive elektrische Ladungen („R+“) bzw. Löcher erzeugt werden. Analog dazu wird bei der genannten Bewegung die linke Seite des ersten Bereichs 10 bzw. der Bereich 10b gestaucht und als Folge im Bereich 10b an der linken Seite der Feder negative elektrische Ladungen („L–“) bzw. Elektronen erzeugt. Je nach Dotierung wäre es natürlich auch möglich, dass durch die Stauchung der rechten Seite der Feder negative Ladungen erzeugt werden und dass durch die Stauchung der linken Seite der Feder positive Ladungen erzeugt werden.
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4 deutet an, dass eine Bewegung der Masse 1 bzw. des ersten Bereichs 10 nach links im Bereich 10b an der linken Seite der Feder positive elektrische Ladungen („L+“) und an der rechten Seite der Feder negative elektrische Ladungen („R–“) generiert werden.
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5 zeigt in prinzipieller Weise, dass mittels einer geeigneten leitfähigen Dotierung im isolierenden Grundmaterial ein dritter Bereich 20 innerhalb der mikromechanischen Struktur 100 ein ohmscher Widerstand mit einem definierten Widerstandswert ausgebildet werden kann. Der dritte Bereich 20 repräsentiert somit eine Art von Umwandler, der die Schwingungsenergie des ersten Bereichs 10 in thermische Energie umwandelt. Ferner können durch eine geeignete leitfähige Dotierung innerhalb der Struktur 100 elektrische Leiterbahnen 50 zum Transportieren der elektrischen Ladungen bzw. des elektrischen Stroms erzeugt werden.
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Dem Widerstandselement des dritten Bereichs 20 können die in den zweiten Bereichen 10a, 10b generierten elektrischen Ladungen über die Leiterbahnen 50 zugeführt werden, wobei der durch den Widerstand 20 fließende elektrische Strom in thermische Energie umgesetzt wird. 5 zeigt, dass eine konstruktive Gestaltungsmöglichkeit des Widerstandselements des dritten Bereichs 20 darin besteht, den Widerstand in diskreter, räumlich eng begrenzter Weise auszubilden. Alternativ ist es auch möglich, einen zwischen den zweiten Bereichen 10a, 10b verteilten Widerstand auszubilden, wobei in diesem Fall die elektrischen Ladungen nicht definiert aus den zweiten Bereichen 10a, 10b abgeleitet werden müssen, wie dies in 6 prinzipiell angedeutet ist.
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In 6 ist dargestellt, dass das Widerstandselement des dritten Bereichs 20 auch überlappend mit den piezoelektrisch dotierten zweiten Bereichen 10a, 10b des ersten Bereichs 10 angeordnet ist.
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Alternativ ist es auch möglich, den dritten Bereich 20 als verteilten Widerstand nicht überlappend mit den piezoelektrisch dotierten zweiten Bereichen 10a, 10b auszubilden. Im Ergebnis wird dadurch ein „sandwichartiger Aufbau“ der piezoelektrisch dotierten Bereiche 10a, 10b und des dritten Bereichs 20 realisiert (nicht dargestellt).
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Mit den Ausführungsformen der mikromechanischen Struktur 100 der 5 und 6 können die Schwingungen der Struktur 100 mit konstanter Intensität gedämpft werden.
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Gezielte Dämpfung
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Wie beschrieben, können in der sich bewegenden bzw. schwingenden Struktur 100 gewollte und ungewollte Schwingungsbilder auftreten. Falls das Schema der Ladungsgenerierung bei gewollten und ungewollten Schwingungen unterschiedlich ausgebildet ist, besteht die Möglichkeit, diese Unterschiede bei der Dämpfung zu berücksichtigen. Es kann z.B. mit einer geeignet ausgelegten Schaltung erreicht werden, dass die gewollten Schwingungen ungestört beibehalten werden, wobei parasitäre Schwingungsbilder gedämpft werden.
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7 zeigt eine zu diesem Zweck ausgebildete weitere Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 100. Man erkennt, dass zusätzlich zu den oberen Bereichen 10a und 10b weitere untere piezoelektrisch dotierte Bereiche 11a und 11b ausgebildet sind, die innerhalb des ersten Bereichs 10 rechts und links angeordnet sind.
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Beispielsweise kann mit einer derartigen Anordnung der zweiten Bereiche 10a, 10b, 11a, 11b vorgesehen sein, dass Bewegungen der Masse 1 und damit der Feder nach links und nach rechts gedämpft werden, Bewegungen der Masse 1 und damit der Feder nach oben und nach unten jedoch im Wesentlichen ungedämpft bleiben.
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Mittels der dotierten Bereiche von 7 können Schwingungen des ersten Bereichs 10 in vertikaler und in horizontaler Richtung elektrische Ladungen erzeugen, die entsprechend abgeleitet werden können. Beispielsweise ist es denkbar, dass bei einer Bewegung der Masse 1 nach rechts die rechten zweiten Bereiche 10a, 11a positive Ladungen erzeugen und die linken zweiten Bereiche 10b, 11b negative Ladungen.
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Bei einer horizontalen Schwingung der Masse 1 bzw. der Feder 10 können auch die oberen zweiten Bereiche 10a, 10b positive Ladungen erzeugen und die unteren zweiten Bereiche 11a, 11b negative Ladungen.
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Der Fachmann erkennt also, dass mittels einer geeigneten piezoelektrischen Dotierung des Silizium-Grundmaterials des ersten Bereichs 10 eine Vielfalt von Bewegungsmoden der Feder definiert in elektrische Ladungen umwandelbar ist.
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Es kann bei der Auslegung derartiger Schaltungen somit hilfreich sein, unterschiedliche Dotierungen vorzusehen: solche, die bei einer Druckspannung positive Ladungen, und solche, die bei einer Druckspannung negative Ladungen erzeugen. Daneben können die Widerstandselemente des dritten Bereichs 20 auch in diesem Fall wahlweise in konzentrierter oder in verteilter Form angeordnet werden.
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Im Ergebnis kann dadurch ein elektrischer Stromfluss durch die unterschiedlichen Ladungen generiert werden, so dass mit der zuvor erwähnten Ausbildung von Widerständen bzw. Leitungen die unerwünschte mechanische Schwingungsleistung in definierter Weise in thermische Energie umgesetzt werden kann.
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Geschaltete Dämpfung
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Falls Schwingungen nur oberhalb einer bestimmten kritischen Amplitude gedämpft werden sollen, besteht ferner vorteilhaft auch die Möglichkeit, die Dämpfung in einer geschalteten Ausführung auszulegen. Dazu ist vorzugsweise eine Definition einer elektronischen Schaltschwelle (z.B. mittels einer Steuerungseinrichtung 40 bzw. eines Steuerungselements in Form einer elektronischen Halbleiterdiode) erforderlich. Unterhalb der genannten Schwelle werden die elektrischen Ladungen nicht auf den Widerstand des dritten Bereichs 20 geleitet. Dies ist erst dann der Fall, wenn die elektrische Spannung die definierte Grenze der Schaltschwelle übersteigt. In diesem Fall wird die Diode durchgeschaltet und lässt alle elektrischen Ladungen durch, bis die Spannung das Vorzeichen ändert und die Schaltschwelle wieder aufgebaut ist.
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8 soll eine derartige geschaltete Dämpfung mit zwei Steuerungseinrichtungen 40 in Form von Dioden andeuten, wobei die Dioden mittels einer geeigneten Dotierung der mikromechanischen Struktur 100 ausgebildet werden. Für diese Variante sind die Widerstände der dritten Bereiche 20 vorzugsweise als konzentrierte Elemente auszubilden.
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Geregelte Dämpfung
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Falls auch Schwingungen komplexerer Art gedämpft werden sollen, oder wenn der Sollwert der Dämpfung von anderen Schwingungen bzw. von sonstigen Parametern abhängig ist, besteht die Möglichkeit, die Schaltschwellen mittels elektronischer Schalter (z.B. in Form von Transistoren, Mikrocontrollern, ASICs, usw., nicht dargestellt) schaltbar bzw. steuerbar auszugestalten. Mit dieser Methode können vorteilhaft auch komplexe Schaltungen ausgebildet werden, die entweder von selbst, oder mit einer beispielsweise externen Steuerung (nicht dargestellt) unterschiedliche, parallel wirkende Dämpfungsschemata realisieren. Auf diese Weise ist es vorteilhaft erreichbar, dass ein Vorzeichen von in einem zweiten Bereich 10a, 10b erzeugten Ladungen die Dämpfung in diversen anderen Bereichen ansteuert.
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Gemäß einer weiteren (nicht in Figuren dargestellten) Variante können je nach Bedarf auch unterschiedlich große dritte Elemente bzw. Widerstände 20 ausgebildet werden.
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Vorteilhaft ist es also möglich, dass die Steuerungseinrichtung 40, die Eigenschaften der Leiterbahnen 50 und der Widerstandswert der dritten Bereiche 20 von wenigstens einer der folgenden Größen abhängt: Temperatur, Schwingungsamplitude, Schwingungsphase, Schwingungsgeschwindigkeit, Größe von elektromagnetischen Feldern, Merkmale anderer Schwingungen der Struktur 100, rechnerisch ermittelte Steuerungssignale der Steuerungseinrichtung 40, usw.
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Man erkennt, dass die konkreten Realisierungsformen der vorliegenden Erfindung sehr vielfältig sind, sodass die vorgehend erläuterten Ausführungsformen der mikromechanischen Struktur 100 lediglich als beispielhaft anzusehen sind.
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9 zeigt ein Blockschaltbild eines mikromechanischen Bauelements 200 mit einer mikromechanischen Struktur 100. Das mikromechanische Bauelement 200 kann als ein mikromechanischer Inertialsensor (z.B. ein Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Drucksensor, Kraftsensor, usw.) ausgebildet sein.
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10 zeigt prinzipiell ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens:
In einem ersten Schritt S1 wird wenigstens ein elastisch deformierbarer erster Bereich 10 ausgebildet.
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In einem zweiten Schritt S2 wird wenigstens abschnittsweise ein definiertes piezoelektrisches Dotieren des ersten Bereichs 10 in einem zweiten Bereich 10a durchgeführt.
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In einem dritten Schritt S3 wird ein leitendes Dotieren von wenigstens einem dritten Bereich 20 durchgeführt.
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In einem vierten Schritt S4 wird ein vierter Bereich 30, in den die im zweiten Bereich 10a generierbaren elektrischen Ladungen ableitbar sind, ausgebildet.
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Schließlich wird in einem fünften Schritt S5 ein elektrisches Verbinden des zweiten, dritten und vierten Bereichs 10a, 20, 30 durchgeführt.
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Es ist selbstverständlich auch denkbar, einen Ablauf der oben genannten Schritte S1 bis S5 beliebig miteinander zu vertauschen.
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Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum definierten Umsetzen von mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie bzw. thermische Energie bereitgestellt. Mittels gezielt dotierter Bereiche der mikromechanischen Strukturen kann ein Verhalten erzeugt werden, welches es erlaubt, ungewollte Schwingungen dadurch zu dämpfen, indem deren mechanische Energie in elektrische Energie konvertiert wird, die anschließend in thermische Energie umgewandelt, und dadurch dissipiert wird. Im Ergebnis wird auf diese Weise die mechanische Schwingungsenergie wirkungsvoll gedämpft bzw. verringert und kann wesentlich weniger schädliche Wirkungen entfalten.
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Der Fachmann wird vorstehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren bzw. miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045541 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Stephen Terry, „A miniature silicon accelerometer with built-in damping“, Solid State Sensor and Actor Workshop, Technical Digest, 1988, Hilton Head Island, U.S.A., Seiten 114–116 [0007]
- Martin Handtmann „Dynamische Regelung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) mit Hilfe kapazitiver Signalwandlung und Kraftrückkopplung, Dissertation TU München, 2002 [0008]
- W.J.Choi, Y. Jeon, J. – H. Jeon, R. Sood, S.G. Kim, „Energy harvesting MEMS device based on thin film piezoelectric cantilevers“, Journal of Electroceramics, 2006, Seiten 543–548 [0010]
