DE102014223351A1 - Mikromechanische Federeinrichtung - Google Patents

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Abstract

Mikromechanische Federeinrichtung (100), aufweisend: – zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Federschenkel (10); und – wenigstens ein Anschlagselement (10), das angeordnet ist, um ein gegenseitiges Anschlagen der beiden Federschenkel (10) zu verhindern.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Federeinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Federeinrichtung.
  • Stand der Technik
  • Bei mikromechanischen Inertialsensoren, also Sensoren mit beweglichen Strukturen, wie zum Beispiel Drehraten-, Beschleunigungssensoren oder Mikrospiegeln werden zumeist mikromechanische Federn verwendet, an denen seismische Massen aufgehängt sind. Oftmals werden diese Federaufhängungen zusätzlich zu ihrer Massenaufhängungsfunktion auch als mechanische Anschläge verwendet, um die Bewegung bei Überlast abzubremsen bzw. zu begrenzen und damit Zerstörungen, wie zum Beispiel Federbruch zu vermeiden.
  • Überlastfälle können durch externe Beschleunigungen oder auch Drehbeschleunigungen auftreten. Da jeder Inertialsensor auch mit einer elektrischen Auswerteschaltung verbunden ist, können Überlastfälle auch durch elektrostatische Kräfte entstehen, die durch von außen angelegte elektrische Spannungen absichtlich oder unabsichtlich erzeugt werden.
  • Obwohl sich dieses Vorgehen, nämlich eine Federaufhängung auch als mechanischen Anschlag zu verwenden, vielfach bewährt hat, gilt doch auch immer die Tatsache, dass jede Berührung der schwingenden Strukturen mit fest angebundenen Strukturen ein gewisses Risiko für Materialabtrag darstellt.
  • Beispielweise kann es bei einem Drehratensensor mit einer Resonanzfrequenz von einigen 10 kHz aufgrund von zu hohen elektrischen Antriebsspannungen innerhalb weniger Minuten zu einigen Millionen Anschlägen kommen.
  • Neben möglicher Partikelbildung und der damit verbundenen Risiken bezüglich elektrischer und mechanischer Kurzschlüsse kann ein solcher Materialabtrag zum Beispiel auch dazu führen, dass mechanisch aktive Federstrukturen abgedünnt werden und damit ihre mechanische Steifigkeit verändern. Im Extremfall könnten die mechanisch aktiven Federstrukturen auch abgetrennt werden.
  • 1a zeigt eine konventionelle mikromechanische Federeinrichtung 100 mit zwei zueinander parallel angeordneten Federschenkeln 10, einer aus einem Oxidmaterial ausgebildeten Festanbindung 30 und einer beweglichen seismischen Masse 40. In einem normalen Betrieb der Federeinrichtung 100 sollten sich die beiden Federschenkel 10 niemals berühren, entsprechend werden die Breiten der Federschenkel 10 ausgelegt.
  • 1b zeigt strichliert angedeutet einen potentiellen Kontaktbereich zwischen der Festanbindung 30 und der seismischen Masse 40, wobei in dem Kontaktbereich das unbeabsichtigte Aneinanderprallen der Festanbindung 30 mit der beweglichen Masse 40 dargestellt ist.
  • 1c zeigt ein Resultat von vielen derartigen Anschlägen, wobei man erkennt, dass die Federschenkel 10 im Bereich der Festanbindung 30 und der beweglichen Masse 40 aufgrund von „Feinstaubabrieb“ bedeutend abgedünnt sind, was eine erhebliche Bruchgefahr für die Federschenkel 10 darstellt und eine bedeutsamen Funktionalitätsverminderung der Federeinrichtung 100 darstellen kann. Insbesondere werden dadurch mechanisch weichere Federschenkel 10 generiert, die eine Reduzierung der Antriebsfrequenz der Federeinrichtung 100 zur Folge haben kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte mikromechanische Federeinrichtung bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Federeinrichtung, aufweisend
    • – zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Federschenkel; und
    • – wenigstens ein Anschlagselement, das angeordnet ist, um ein gegenseitiges Anschlagen der beiden Federschenkel zu verhindern.
  • Mittels des Anschlagselements kann damit auf vorteilhafte Weise beim Anschlagen von Massen aufeinander die Federschenkel nicht beschädigt werden. Damit wird eine wirksame Präventivmaßnahme bereitgestellt, die es ermöglicht, dass die Federeinrichtung bei einem zeitlich begrenzten Fehlbetrieb nicht an kritischen Stellen beschädigt wird.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Federeinrichtung, aufweisend die gleichzeitig ausgeführten Schritte:
    • – Ausbilden von zwei parallel zueinander angeordneten Federschenkeln;
    • – Ausbilden eines Anschlagselements, und
    • – Anordnen des Anschlagselements derart, dass dadurch ein gegenseitiges Anschlagen der Federschenkel verhinderbar ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der mikromechanischen Federeinrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Federeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite des Anschlagselements in der Größenordnung einer Abmessung eines Kopfs der Federeinrichtung liegt. Auf diese Weise wird das Anschlagselement spezifische derart dimensioniert, dass ein Anschlagen der beiden Federschenkel aneinander verhindert werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Federeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Anschlagselement integral mit der Federeinrichtung ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine technisch einfache Herstellung des Anschlagselements unterstützt, welches somit in einem gleichen Fertigungsprozess wie die gesamte Federeinrichtung hergestellt werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Federeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Anschlagselement außerhalb des Bereichs der Federschenkel angeordnet ist. Dadurch kann eine Beschädigung der Federschenkel verhindert werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Federeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Anschlagselement an einer Halterung für die Federschenkel angeordnet ist. Dadurch können zwar die Halterungen der Federschenkel aneinander aufschlagen und dadurch eine gewisse beabsichtigte Beschädigung des Anschlagselements bewirken, die Federschenkel bleiben davon jedoch unbeeinträchtigt. Im Anschlagsfall wird auf diese Weise ein Materialabtrag der Federschenkel weitestgehend vermieden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Federeinrichtung sieht vor, dass das Anschlagselement möglichst großflächig ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine Kraftwirkung auf das Anschlagselement vergleichmäßigt werden, so dass eine Anzahl von Anschlägen maximierbar ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Federeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Material des Anschlagselements dasselbe Material ist wie ein Material der übrigen Federeinrichtung. Damit wird unterstützt, dass das Anschlagselement mit bewährten Bearbeitungsmethoden der Mikrosystemtechnik prozessierbar ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen 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 vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt und dienen insbesondere zu einer Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Prinzipien.
  • In den Figuren zeigt:
  • 1a eine herkömmliche mikromechanische Federeinrichtung;
  • 1b eine herkömmliche mikromechanische Federeinrichtung im Anschlagsfall;
  • 1c die mikromechanische Federeinrichtung von 1a und 1b nach vielen Anschlagsereignissen;
  • 2a eine erste Ausführungsform einer mikromechanischen Federeinrichtung;
  • 2b die mikromechanische Federeinrichtung von 2a im Anschlagsfall;
  • 2c die mikromechanische Federeinrichtung von 2a und 2b nach vielen Anschlagsereignissen; und
  • 3 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Die Erfindung schlägt vor, dass Stellen der mikromechanischen Federeinrichtung 100, an denen mechanische Berührungen bei Überlastsituationen auftreten können, konstruktiv durch ein Anschlagselement 20, das eine Art von Verschleißvorhalt realisiert, geschützt werden. Auf diese Weise kann der Materialabtrag zunächst nicht zu einer Schwächung der Federstrukturen, sondern nur zu einem gewollten Materialabtrag an weniger relevanten Stellen führen. Auf diese Weise können je nach Ausführung z.B. einige 1000 bis einige 100.000 Anschlagsereignisse abgefangen werden, ohne dass es zu einer signifikanten Schwächung von aktiven Federstrukturen kommt.
  • Die Federstrukturen sind meistens an Anbindungspunkten der festen und der beweglichen Struktur gegenüberliegend angeordnet. Die Erfindung sieht vor, dass diejenigen Stellen, an denen Berührungen der Federschenkel 10 vorkommen können, mittels eines Anschlagselements 10 in Form eines Anschlagssockels bzw. einer Anschlagsnoppe bzw. einer Anschlags-Opferstruktur verstärkt werden. Dies erfolgt vorzugsweise an Bereichen, in denen sich gegenüberliegend bewegliche Massenstrukturen befinden, die keinen Beitrag zu einer Steifigkeit des Feder-Masse-Systems der Federeinrichtung 100 leisten.
  • Vorzugweise sind geometrische Abmessungen des Anschlagselements 20 an geometrische Abmessungen der Federschenkel 10 angepasst, die sich aus einem üblichen Herstellungsprozess (Trench- und Gasphasenätzschritte) der mikromechanischen Federeinrichtung 100 ergeben. Als Größenordnungen können hier Längen der Federschenkel 10 von einigen 100µm und eine Dicke der Federschenkel 10 von einigen wenigen Mikrometern genannt werden. Vorzugsweise ist eine Dicke des Anschlagselements 20 an eine Kopfabmessung d der Federeinrichtung 100 angepasst.
  • 2a zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federeinrichtung 100 mit dem genannten Anschlagselement 20, das an einer Seite der Festanbindung 30 angeordnet ist. Das Material des Anschlagselements 20 ist dabei vorzugsweise das gleiche Material wie ein Material der übrigen Federeinrichtung 100, insbesondere das gleiche Material wie die Federschenkel 10 und die Halterung 40 der Federeinrichtung 100. Vorzugsweise ist das Anschlagselement 20 aus polykristallinem Silizium gebildet. Alternativ sind auch andere Materialien denkbar, wie z.B. monokristallines Silizium, Germanium, usw. Man erkennt, dass das Anschlagselement 20 in einem Bereich der Festanbindung 30 angeordnet ist, der außerhalb des Ansatzbereiches der Federschenkel 10 mit der Festanbindung bzw. der seismischen Masse 40 liegt.
  • Alternativ könnte das Anschlagselement 20 auch im Bereich der seismischen Masse 40 in entsprechender Position angeordnet sein (nicht dargestellt). Vorzugsweise ist das Anschlagselement 20 möglichst großflächig ausgebildet, um dadurch einen Druck auf ein einzelnes Flächensegment des Anschlagselements 20 so gering wie möglich zu halten. In einer Variante kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass das Anschlagselement 20 den gesamten potentiellen Kontaktbereich zwischen der Festanbindung 30 und der seismischen Masse 40 bedeckt (nicht dargestellt).
  • Es findet auf diese Weise kein mechanischer Kontakt im Bereich der Federschenkel 10 statt, wie in 2b prinzipiell angedeutet. Dies bedeutet, dass selbst im Anschlagsfall sich die Federschenkel 10 nicht mehr berühren, so dass es zu keinem Materialabtrag im Bereich der Federschenkel 10 kommen kann.
  • 2c zeigt die mikromechanische Federeinrichtung 100 nach vielen Anschlagsereignissen. Man erkennt, dass trotz des oftmaligen Anschlagens die Federschenkel 10 unbeschädigt sind und es nur im Bereich der beweglichen Masse 40 zu einem Materialabtrag in Form einer Ausnehmung bzw. Delle 21 kommt, der aber für die Federeinrichtung 100 eine akzeptierbare Schädigung darstellt.
  • Vorteilhaft kann somit die Federeinrichtung 100 eine definierte Anzahl von Fehlereignissen kompensiert, beispielsweise kann sie auch für sehr kurzlebige Einrichtungen, etwa Sensoren für kurzlebige Konsumgüter verwendet werden.
  • 3 zeigt in einem Flussdiagramm einen prinzipiellen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Schritte 200 bis 220 gleichzeitig ausgeführt werden. Die Gleichzeitigkeit ist dadurch bedingt, da die Schritte in einem mikromechanischen Herstellungsprozess ausgeführt werden, in dem Epitaxie, Belichtungen und Ätztechniken zum Einsatz kommen.
  • In einem Schritt 200 werden zwei parallel zueinander angeordnete Federschenkel 10 ausgebildet.
  • In einem Schritt 210 wird ein Anschlagselement 20 ausgebildet. In einem Schritt 220 wird das Anschlagselement 20 derart angeordnet, dass dadurch ein gegenseitiges Anschlagen der Federschenkel 10 verhinderbar ist.
  • Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine mikromechanische Federeinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Federeinrichtung vorgeschlagen, mit denen erreicht wird, dass ein Materialabtrag an einer Stelle stattfindet, die neutral bezüglich einer Federsteifigkeit der mikromechanischen Federeinrichtung ist. Es wird also bewusst eine Schädigung der Federeinrichtung in Kauf genommen, die jedoch vorteilhaft ausschließlich dort auftritt, wo sie für einen mit der mikromechanischen Federeinrichtung ausgestatteten Sensor nicht von Bedeutung ist.
  • Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Fehlbedienungsschutz bzw. ein Schutz vor extern eingeprägter mechanischer Überlast bereitgestellt werden, mit dem eine definierte Anzahl von Fehlbedienungen abgefangen werden kann.
  • Vorteilhaft ist eine geometrische Ausdehnung des Anschlagselements 20 derart, dass es den Bereich der Festanbindung 30 flächig abdeckt. Auf diese Weise kann ein Materialabtrag flächig verteilt werden, was eine erhöhte Anzahl von Anschlagsereignissen unterstützt.
  • Vorteilhaft lässt sich die mikromechanische Federeinrichtung beispielsweise für Inertialsensoren im Automotive-Bereich anwenden.
  • Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht auf dieser Ausführungsformen beschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims (11)

  1. Mikromechanische Federeinrichtung (100), aufweisend: – zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Federschenkel (10); und – wenigstens ein Anschlagselement (10), das angeordnet ist, um ein gegenseitiges Anschlagen der beiden Federschenkel (10) zu verhindern.
  2. Mikromechanische Federeinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite des Anschlagselements (10) in der Größenordnung einer Abmessung (d) eines Kopfs der Federeinrichtung (100) liegt.
  3. Mikromechanische Federeinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagselement (10) integral mit der Federeinrichtung (100) ausgebildet ist.
  4. Mikromechanische Federeinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagselement (10) außerhalb eines Bereichs der Federschenkel (10) angeordnet ist.
  5. Mikromechanische Federeinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagselement (10) an einer Halterung (30, 40) für die Federschenkel (10) angeordnet ist.
  6. Mikromechanische Federeinrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagselement (10) möglichst großflächig ausgebildet ist.
  7. Mikromechanische Federeinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Anschlagselements (20) dasselbe Material ist wie ein Material der übrigen Federeinrichtung (100).
  8. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Federeinrichtung (100), aufweisend die gleichzeitig ausgeführten Schritte: – Ausbilden von zwei parallel zueinander angeordneten Federschenkeln (10); – Ausbilden eines Anschlagselements (20); und – Anordnen des Anschlagselements (20) derart, dass dadurch ein gegenseitiges Anschlagen der Federschenkel (10) verhinderbar ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anschlagselement (20) in einem Bereich außerhalb der Federschenkel (10) angeordnet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Anschlagselement 20 an einer Halterung (30, 40) der Federschenkel (10) angeordnet wird.
  11. Verwendung einer mikromechanischen Federeinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Inertialsensor.
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