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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer Hauptebene, mit einer festen Struktur, mit einer beweglichen Struktur, welche in der Hauptebene gegenüber der festen Struktur beweglich ist, wobei die bewegliche Struktur und die feste Struktur durch wenigstens einen senkrecht zur Hauptebene verlaufenden Graben im Wesentlichen mit mindestens einer ersten Grabenbreite getrennt sind.
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Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Anwendungen im Automobil- und Konsumgüter-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung parallel zur Waferebene (x- oder y-Richtung bzw. in-plane-Orientierung) werden typischerweise Feder-Masse-Strukturen verwendet, die aus einer mikromechanischen Funktionsschicht der Dicke h0 herausgebildet werden. An der Masse befestigt sind mitbewegte Elektrodenfinger, welche feststehenden, mit dem Substrat verbundenen Elektrodenfingern in geringem Abstand d0 gegenüber stehen. Eine äußere Beschleunigung führt zu einer Auslenkung des Feder-Masse-Systems und somit zu einer Änderung des Abstands zwischen beweglichen und festen Fingern. Die resultierende Kapazitätsänderung kann dann über eine elektronische Auswerteschaltung gemessen werden.
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Im Allgemeinen wird ein mikromechanischer Beschleunigungssensor in einem viskosen Gas (z. B. Luft, Stickstoff oder Neon) betrieben. Neben der elektrischen Funktion haben die Kapazitätsfinger daher auch entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Dämpfung des Beschleunigungssensors. Für viele Applikationen ist eine hohe Dämpfung erwünscht, da der Sensor nur auf Beschleunigungen mit niedrigen Frequenzen sensitiv sein soll und höhere Frequenzen möglichst wirksam unterdrückt werden sollen (z. B. hochfrequente Vibrationen in einem Fahrzeug oder akustische Vibrationsanregungen in einem Mobiltelefon). Der fast immer dominante Dämpfungseffekt bei einem in-plane Beschleunigungssensor ist die sogenannte Quetschfilm-Dämpfung, die bei der Abstandsänderung zwischen beweglichen und festen Fingerstrukturen auftritt.
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Die Elektrodenfinger liefern in vielen Fällen den größten Beitrag zur Gesamtdämpfung des Sensors. In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 051871 A1 wird allerdings vorgeschlagen, bei einem in-plane Beschleunigungssensor zusätzlich zu den Elektrodenfingern weitere, nicht elektrisch wirksame Dämpfungsfinger zu verwenden, um die Dämpfung weiter zu erhöhen, ohne die elektrischen Eigenschaften zu beeinflussen.
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Die durch Quetschfilm-Effekte resultierende Dämpfungskraft Fd ist proportional zur dritten Potenz des Aspektverhältnisses des Elektrodengrabens (d. h. des Grabens zwischen feststehenden und beweglichen Fingern), also Fd ~ (h0/d0)3. Durch Erhöhung der Schichtdicke h0 oder durch Verringerung der Grabenbreite d0 kann demnach die Dämpfung des Sensors stark erhöht werden.
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Das maximale zuverlässig erreichbare Aspektverhältnis h0/d0 ist allerdings fertigungstechnisch limitiert und liegt bei den meistens zur Strukturierung verwendeten Trenchanlagen (DRIE: deep reactive ion etching) im Bereich 20:1 bis maximal 40:1. Beim Versuch, wesentlich höhere Aspektverhältnisse zu erreichen, stößt man meist auf das Problem, dass die Ätzraten in sehr schmalen Gräben sehr klein werden und insbesondere deutlich geringer sind als in breiten Gräben, da die Ionendichten in den schmalen Gräben geringer sind (ARDE-Effekt: aspect ratio dependent etching). Um schmale Gräben komplett zu öffnen, muss daher sehr lange getrencht werden. An Strukturen mit breiten Gräben ist die Funktionsschicht dagegen schon sehr viel früher komplett geöffnet, und weiteres Ätzen kann zu Aufladungseffekten, einem Durchbruch der Passivierung und in Folge dessen seitlichen Anätzungen sowie starken Beschädigungen der Struktur führen. Da nur begrenzte Aspektverhältnisse in Gräben realisiert werden können, ist auch die über Dämpfungsfinger erzielbare Dämpfungswirkung entsprechend limitiert.
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Es ist allerdings im Allgemeinen möglich, in einem ansonsten normal breiten (also auslegungskonformen) Graben in einem kurzen Abschnitt von wenigen Mikrometern die Grabenbreite zwischen zwei Fingerstrukturen zu reduzieren. Dies ist möglich, weil auf der kurzen Distanz mit sehr schmaler Grabenbreite die Reduktion des Ätzmediums noch nicht gravierend ist, da sich in unmittelbarer Nähe breitere Gräben mit entsprechend höherer Ionendichte befinden und durch diese benachbarten breiteren Gräben ein ausreichender Nachschub des Ätzmediums sichergestellt wird. Diese Designoption, lokal den Graben zu verjüngen, wird zur Realisierung von Anschlägen verwendet, s. 1, und wird im Folgenden als Anschlagsnoppen bezeichnet.
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Aufgabe der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung des Dämpfungseffekts in mikromechanischen Strukturen, bevorzugt bei in-plane detektierenden Beschleunigungssensoren.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einer Hauptebene, mit einer festen Struktur, mit einer beweglichen Struktur, welche in der Hauptebene gegenüber der festen Struktur beweglich ist, wobei die bewegliche Struktur und die feste Struktur durch wenigstens einen senkrecht zur Hauptebene verlaufenden Graben im Wesentlichen mit mindestens einer ersten Grabenbreite getrennt sind. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die bewegliche Struktur oder auch die feste Struktur in den Graben hineinragende Dämpfungsnoppen aufweist, wobei der Graben im Bereich der Dämpfungsnoppen eine zweite Grabenbreite aufweist, welche kleiner als die erste Grabenbreite ist. Vorteilhaft kann hierdurch der Effekt der Quetschfilm-Dämpfung genutzt werden. Vorteilhaft kann hierfür durch die Anordnung von Dämpfungsnoppen eine besonders geringe Grabenbreite vorgesehen werden, welche geringer ist als die gewöhnlich mögliche minimale Grabenbreite.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung an der festen Struktur feste Dämpfungsfinger aufweist oder auch an der beweglichen Struktur bewegliche Dämpfungsfinger aufweist und die Dämpfungsnoppen an den festen Dämpfungsfingern oder auch an den beweglichen Dämpfungsfingern angeordnet sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass wenigstens zwei Dämpfungsnoppen einander gegenüberliegend und beweglich zueinander angeordnet sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung an der festen Struktur feste Elektrodenfinger aufweist und/oder an der beweglichen Struktur bewegliche Elektrodenfinger aufweist und die Dämpfungsnoppen an den festen Elektrodenfingern oder auch an den beweglichen Elektrodenfingern angeordnet sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Grabenbreite die kleinste Grabenbreite der mikromechanischen Vorrichtung darstellt.
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Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung von periodischen oder zumindest Mehrfach-Noppenstrukturen an Dämpfungsfingern von Beschleunigungssensoren oder anderen mikromechanischen Vorrichtungen mit beweglichen Strukturen, die gedämpft werden sollen. Durch eine wiederkehrende Verjüngung des Grabens zwischen beweglichen und festen Dämpfungsfingern kann der Dämpfungsbeitrag einer Dämpfungsfingerstruktur erhöht werden. Es ist somit möglich, bei gleichbleibendem Platzbedarf für die Dämpfungsfinger die Dämpfung beispielsweise eines in-plane-Beschleunigungssensors zu erhöhen oder aber eine unverändert hohe Dämpfung bei geringerem Platzbedarf für die Dämpfungsfinger und damit den gesamten Sensorkern zu erzielen.
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Zeichnung
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1 zeigt einen Beschleunigungssensor mit Anschlagsnoppen und Dämpfungsfingern im Stand der Technik.
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2 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit Dämpfungsnoppen an festen Dämpfungsfingern.
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3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit Dämpfungsnoppen an beweglichen Dämpfungsfingern.
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4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit einander gegenüberliegenden Dämpfungsnoppen an festen und beweglichen Dämpfungsfingern.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen Beschleunigungssensor mit Anschlagsnoppen und Dämpfungsfingern im Stand der Technik. Schematisch und ausschnittsweise dargestellt ist eine mikromechanische Vorrichtung 10 in Gestalt eines Beschleunigungssensors mit einer Hauptebene (x, y), mit einer festen Struktur 100, mit einer beweglichen Struktur 200, welche in der Hauptebene (x, y) gegenüber der festen Struktur 100 beweglich angeordnet ist, wobei die bewegliche Struktur 200 und die feste Struktur 100 durch wenigstens einen senkrecht zur Hauptebene (x, y) verlaufenden Graben 300 im Wesentlichen mit mindestens einer ersten Grabenbreite d0 voneinander getrennt sind. Die feste Struktur 100 und die bewegliche Struktur 200 weisen darüber hinaus einander gegenüberliegende Anschlagnoppen 350 mit einer reduzierten Grabenbreite auf. Die zu dämpfende Bewegungsrichtung der beweglichen Struktur 100, in diesem Beispiel in y-Richtung, ist mit einem Pfeil gekennzeichnet. Zur Dämpfung weist die Vorrichtung 10 feste Dämpfungsfinger 150 und bewegliche Dämpfungsfinger 250 auf. Der quadratische Bereich der festen Struktur 100 kennzeichnet eine feste Anbindung an ein darunter liegendes MEMS-Substrat (hier nicht bildlich dargestellt).
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2 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit Dämpfungsnoppen an festen Dämpfungsfingern. Erfindungsgemäß weist die feste Struktur 100 in den Graben 300 hineinragende Dämpfungsnoppen 400 auf. Der Graben 300 weist im Bereich der Dämpfungsnoppen 400 eine zweite Grabenbreite d1 auf, welche kleiner als die erste Grabenbreite d0 ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Dämpfungsnoppen 400 an den feststehenden Dämpfungsfingern 150 angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, weil durch diese Anordnung nicht einmal die Masse der beweglichen Sensorstruktur 200 verändert wird, so dass auch keine Anpassungen der Federsteifigkeit gegenüber einer Auslegung der Vorrichtung ohne Dämpfungsnoppen erforderlich ist.
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3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit Dämpfungsnoppen an beweglichen Dämpfungsfingern. Erfindungsgemäß weist die bewegliche Struktur 200 in den Graben 300 hineinragende Dämpfungsnoppen 400 auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Dämpfungsnoppen 400 an den beweglichen Dämpfungsfingern 250 angeordnet.
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4 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit einander gegenüberliegenden Dämpfungsnoppen an festen und beweglichen Dämpfungsfingern. Erfindungsgemäß weist die bewegliche Struktur 200 und die feste Struktur 100 in den Graben 300 hineinragende Dämpfungsnoppen 400 aufweist, wobei der Graben 300 im Bereich der Dämpfungsnoppen 400 eine zweite Grabenbreite d1 aufweist, welche kleiner als die erste Grabenbreite d0 ist. Es sind hier jeweils zwei Dämpfungsnoppen 400 einander gegenüberliegend und beweglich zueinander auf dem festen Dämpfungsfinger 150 und dem beweglichen Dämpfungsfinger 250 angeordnet. Die Dämpfungsnoppen 400 haben dabei im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 beispielsweise die halbe Ausdehnung.
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Um einen signifikanten Anstieg der Dämpfung zu erzielen, sollten die feststehenden oder auch die beweglichen Dämpfungsfinger nicht nur einzelne Dämpfungsnoppen aufweisen, sondern bevorzugt eine Anordnung von mehreren Noppen, besonders bevorzugt mehr als drei Noppen aufweisen. Zudem sollte zur Maximierung der Dämpfung die Mehrzahl der feststehenden und/oder beweglichen Dämpfungsfinger mit Noppen ausgestattet werden.
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Der mögliche Zugewinn an Dämpfung durch die erfindungsgemäße Anordnung hängt empfindlich von der erlaubten Dimensionierung der Dämpfungsnoppen ab, also der zweiten Grabenbreite d1 zwischen festen und beweglichen Fingern im Bereich der Noppen, der erforderlichen dritten Grabenbreite d2 zwischen festen und beweglichen Fingern in den Bereichen neben den Noppen, den Breiten der Noppen b1 sowie den erforderlichen Abständen b2 zwischen zwei benachbarten Noppen. Bei der Dimensionierung dieser Parameter ist zu beachten, dass die erforderliche dritte Grabenbreite d2 in den Bereichen neben den Noppen nicht so deutlich gegenüber einem Standard Graben mit Minimalbreite d0 aufgeweitet werden muss, dass der Platzbedarf für eine Dämpfungsfingerzelle (bestehend aus einem beweglichen und einem festen Dämpfungsfinger) ansteigt und dies durch den Zugewinn an Dämpfung innerhalb einer einzelnen Zelle überkompensiert wird. Die erfindungsgemäße Anordnung kann bei geschickter Auslegung zu einer signifikanten Steigerung der Dämpfungseffekte bei gegebener Fläche für die Dämpfungsfinger führen.
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Prinzipiell lässt sich die Erfindung auch auf die elektrisch wirksamen Elektrodenfinger einer mikromechanischen Vorrichtung übertragen. Hier könnte durch eine periodische Noppenanordnung an feststehenden oder auch beweglichen Elektrodenfingern neben einer erhöhten Dämpfung auch eine erhöhte elektrische Empfindlichkeit erzielt werden. Bei der Auslegung der Noppenanordnung sind in diesem Fall jedoch zumindest zwei Effekte zu berücksichtigen. Zum einen steigen durch die lokal deutlich reduzierten Grabenbereiten d1 auch die elektrostatischen Kräfte zwischen feststehenden und beweglichen Elektrodenfingern an und können zu erniedrigten pull-in-Spannungen führen. Beim pull-in übersteigen die attraktiven elektrostatischen Kräfte zwischen feststehenden und beweglichen Elektrodenfingern die mechanischen Rückstellkräfte. Zum anderen können die erhöhten elektrostatischen Kräfte dazu führen, dass bei starker mechanischer Überlast, wenn die bewegliche Struktur in Kontakt mit den Anschlagsnoppen 350 kommt und dabei zusätzliche Adhäsionskräfte wirksam werden, die mechanischen Rückstellkräfte nicht mehr die Summe aus Adhäsionskräften und elektrostatischen Kräften übersteigt und somit die Struktur am Anschlag haften bleibt. Dieses Verhalten wird auch als Kleben oder stiction bezeichnet.
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Obwohl die Erfindung am schematischen Beispiel eines Beschleunigungssensors beschrieben ist, ist sie nicht auf Beschleunigungssensoren begrenzt, sondern kann ebenso auf andere mikromechanische Vorrichtungen angewendet werden, die eine bewegliche Struktur aufweisen, welche gedämpft werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- h0
- Dicke der mikromechanischen Funktionsschicht
- d0
- erste Grabenbreite
- d1
- zweite Grabenbreite
- d2
- dritte Grabenbreite
- b1
- Breite der Noppen
- b2
- Abstand zwischen zwei benachbarten Noppen
- x, y
- Hauptebene
- 10
- mikromechanische Vorrichtung
- 100
- feste Struktur
- 150
- feste Dämpfungsfinger
- 200
- bewegliche Struktur
- 250
- bewegliche Dämpfungsfinger
- 300
- Graben
- 350
- Anschlagsnoppen
- 400
- Dämpfungsnoppen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007051871 A1 [0004]
