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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Prüfeinrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Prüfeinrichtung.
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Stand der Technik
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Beschleunigungssensoren mit den verschiedensten Arbeitsbereichen sind bekannt. Diese können z.B. als mikromechanische Inertialsensoren mit MEMS-Strukturen ausgebildet sein. Diese können eine in einer Funktionsschicht ausgebildete Wippenstruktur aufweisen, die über Torsionsfedern am Substrat verankert ist. Die Massenverteilung der Wippenstruktur ist in der Regel asymmetrisch ausgebildet, wobei unterhalb der Wippe zwei Elektrodenflächen angeordnet sind, um die Auslenkung der Wippenstruktur kapazitiv messen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach zu realisierende mikromechanische Prüfeinrichtung zum Nachweis mechanischer Belastung bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Prüfeinrichtung, aufweisend:
- - ein Stammelement; und
- - wenigstens ein integral mit dem Stammelement ausgebildetes Erfassungselement; wobei
- - das wenigstens eine Erfassungselement derart ausgebildet ist, dass es beim Überschreiten einer definierten mechanischen Krafteinwirkung beschädigt wird.
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Mithilfe der mikromechanischen Prüfeinrichtung ist es vorteilhaft auf kostengünstige und einfache Weise möglich, einen überschrittenen Beschleunigungswert nachzuweisen. Dies ist vorteilhaft ohne Verwendung einer elektrischen Stromversorgung oder eines elektronischen Datenspeichers möglich, wodurch eine kostengünstige Massenfertigung ermöglicht ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Prüfeinrichtung, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Stammelements mit wenigstens einem mit dem Stammelement integral ausgebildeten Erfassungselement; wobei
- - das wenigstens eine Erfassungselement derart ausgebildet wird, dass es beim Überschreiten einer definierten mechanischen Krafteinwirkung beschädigt wird.
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Bevorzugte Weiterbildungen der mikromechanischen Prüfeinrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Prüfeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Beschädigung des Erfassungselements mittels einer optischen Sichtprüfung prüfbar ist. Auf diese Weise wird ein passiver Analyseansatz realisiert, der beispielsweise eine optische Sichtprüfung mittels eines Mikroskops ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Prüfeinrichtung - zeichnet sich dadurch aus, dass sie ferner eine Elektrode aufweist, wobei ein Kapazitätswert zwischen dem Erfassungselement und der Elektrode messtechnisch ermittelbar ist, wobei aus dem Kapazitätswert auf einen Zustand des Erfassungselements schließbar ist. Auf diese Weise wird ein aktiver Analyseansatz realisiert, der eine messtechnische Ermittlung einer Kapazität zwischen dem Erfassungselement und der Elektrode vorsieht. Vorteilhaft ist auf diese Art und Weise eine optische Sichtprüfung des Erfassungselements nicht erforderlich.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Prüfeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kapazitätswert in einer Tabelle hinterlegbar ist. Dadurch kann eine Zuordnung von Kapazitätswerten zu Beschleunigungswerten realisiert werden, die eine schnelle Überprüfungsprozedur ermöglicht.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der mikromechanischen Prüfeinrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass Messelektroden zum messtechnischen Ermitteln des Kapazitätswerts flächig oder als Pins ausgebildet sind. Dadurch werden vorteilhaft unterschiedliche Ausgestaltungen von Messelektroden realisiert.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der mikromechanischen Prüfeinrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass die messtechnische Ermittlung des Kapazitätswerts mittels einer Messeinrichtung oder mittels einer elektronischen Schaltung durchführbar ist. Vorteilhaft werden dadurch unterschiedliche Messkonzepte zum messtechnischen Ermitteln des Kapazitätswerts ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Prüfeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der elektronischen Schaltung eine Auswertung von Messsignalen durchführbar ist. Dadurch wird nachträglich eine Auswertung der Messsignale durchgeführt, wodurch vorteilhaft ein hoher Komfort bei der Auswertung der Messsignale bereitgestellt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Prüfeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Erfassungselement eines aus: Polysilizium, Keramikmaterial ist und dass die Elektrode aus Polysilizium ist. Dadurch werden vorteilhaft unterschiedliche Materialien zur Ausbildung des Erfassungselements und der Elektrode ermöglicht.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von drei Figuren im Detail beschrieben. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabs- bzw. detailgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Prüfeinrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend die mikromechanische Prüfeinrichtung ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vorgeschlagenen mikromechanischen Prüfeinrichtung;
- 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung mit der mikromechanischen Prüfeinrichtung; und
- 3 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Prüfeinrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine kostengünstige mikromechanische Prüfeinrichtung bereitzustellen, mit der eine überschrittene mechanische Kraft- bzw. Beschleunigungseinwirkung ermittelt bzw. nachgewiesen werden kann.
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Ein dafür vorgesehener konventioneller Beschleunigungssensor enthält eine stabile und durchgehende elektrische Stromversorgung, wobei der Beschleunigungssensor durchgehend betrieben werden muss, um auch kurze Ereignisse nicht zu verpassen. Bekannt sind ferner Verfahren, bei denen die Beschleunigungssensoren im „Duty-Cycling“ betrieben werden, d.h. sehr stromsparend und nur kurzzeitig aktiv sind und danach wieder „schlafen gelegt werden“. Mittels dieser Verfahren würde ein kurzes Beschleunigungsereignis aber sehr wahrscheinlich verpasst werden. Ein Datenlogging von Ereignissen führt zu weiteren Aufwänden, wodurch ein solches konventionelles System in der Regel signifikante Kosten verursacht.
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Demgegenüber schlägt die Erfindung eine einfache passive Vorrichtung vor, mittels der im Nachgang ein überschrittener Beschleunigungswert festgestellt werden kann.
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Erreicht wird dies mittels einer MEMS-Struktur mit einem Balken definierter Robustheit, der bei bestimmten Beschleunigungen beschädigt wird bzw. bricht, was auch als ein „MEMS-Watchdog“ bezeichnet werden kann. Im Falle einer Beschädigung des übergeordneten Produktes kann der MEMS-Watchdog auf gebrochene Strukturen hin geprüft werden, wodurch auf einfache Weise nachgewiesen werden kann, dass während der Lebenszeit erhöhte Beschleunigungen aufgetreten sind. Nach erfolgter Beschädigung kann gegebenenfalls ein neuer MEMS-Watchdog eingesetzt werden.
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1 zeigt eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer prinzipiellen Ausführungsform einer derartigen mikromechanischen Prüfeinrichtung 100. Man erkennt eine baumartige Erfassungsstruktur mit einem Stammelement 10 (feststehender Teil der „Topelektrode“) und mit dem Stammelement 10 integral ausgebildeten astartigen Erfassungselementen 11 (frei schwebende Teile der „Topelektrode“), die ast- bzw. zweigartig am Stammelement 10 angeordnet sind und unterschiedliche Längen aufweisen. Das genannte Stammelement 10 ist mit einem Isolationselement 40 mit einer darunterliegenden Elektrode 20 („Bottomelektrode“) verbunden. Die Erfassungselemente 11 sind „frei schwebend“ oberhalb dieser Elektrode 20 angeordnet.
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Die frei schwebenden Erfassungselemente 11 sind derart ausgebildet, dass sie jeweils bei definiertem Überschreiten einer mechanischen Beschleunigung abbrechen, was z.B. in einer optischen Sichtprüfung mittels eines IR-Mikroskops festgestellt werden kann. Im Ergebnis repräsentiert dies einen passiven Analyseansatz, mit dem festgestellt werden kann, ob eine mechanische Belastung auf die mikromechanische Prüfeinrichtung 100 überschritten worden ist.
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Vorzugsweise sind die Erfassungselemente 11 geometrisch derart ausgebildet, dass sie bei unterschiedlichen Beschleunigungskräften brechen, beispielsweise gestuft nach Vielfachen der Erdbeschleunig in Höhe von z.B. 500 g, 1000 g, 1.500 g, usw.
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Eine zweite alternative Variante der mikromechanischen Prüfeinrichtung 100 besteht darin, einen aktiven Analyseansatz vorzusehen, bei dem eine Kapazität zwischen den Erfassungselementen 11 und der darunterliegenden Elektrode 20 messtechnisch ermittelt wird. Dies kann beispielsweise mittels eines Multimeters erfolgen, welches an Messelektroden 30 kontaktiert wird und damit einen Kapazitätswert zwischen der Elektrode und den Erfassungselementen 11 messtechnisch zu ermitteln. Aufgrund einer Beschädigung eines Erfassungselements 11 tritt eine definierte Änderung der Kapazität auf, sodass auf einen Bruch des Erfassungselements 11 geschlossen werden kann. Die Messelektroden 30 können z.B. als flächige Elektroden oder als Pins (z.B. aus Kupfer) ausgebildet sein und dienen ausschließlich einer besseren elektrischen Kontaktierung des Stammelements 10 und der Elektrode 20.
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Sowohl das Erfassungselement 11 als auch die Elektrode 20 können aus Polysilizium ausgebildet sein. Zwischen dem Erfassungselement 11 und der Elektrode 20 befindet sich ein Isolationselement 40. In der Querschnittsansicht von 1 ist erkennbar, welche Teile des Erfassungselements 11 über das Isolationselement 40 mechanisch mit der Elektrode 20 verbunden sind und welche Teile des Erfassungselements 11 über der Elektrode 20 „schwebend“ angeordnet sind.
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Bei einem Einsatz der mikromechanischen Prüfeinrichtung 100 in einem Smartphone würde die mikromechanische Prüfeinrichtung 100 im Rahmen der Smartphone-Reparatur geprüft werden, bei der das Smartphone ohnehin zerlegt werden muss und ein freier Zugang zur mikromechanischen Prüfeinrichtung 100 geschaffen wird.
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Ein weiterer Analyseansatz sieht vor, dass mittels separatem LCR-Multimeter direkt auf die Messelektrode 30 kontaktiert eine Kapazitätsmessung durchgeführt wird.
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In einem weiteren aktiven Analyseansatz wird zusätzlich zur mikromechanischen Prüfeinrichtung 100 eine elektronische Schaltung (z.B. ein ASIC) verbaut, die bei einem Anlegen einer externen elektrischen Spannung an der Prüfeinrichtung 100 je nach Zustand der Erfassungselemente 11 definierte Signalverhältnisse erzeugt.
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Zusätzlich kann eine Verwendung eines einfachen ASICs vorgesehen sein, der aus dem kapazitiven Zustand der balkenförmigen Erfassungselemente 11 ein digital auslesbares Signal erzeugt.
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Eine geometrische Dimensionierung der Erfassungselemente 11 erfolgt vorzugsweise mittels Finite-Elemente-Methoden mit an sich bekannten, geeigneten Design- und Simulationstools.
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In der genannten Variante des aktiven Prüfansatzes mit ASIC und digitaler Ausgabe kann vorgesehen sein, dass statt eines Multimeters eine elektronische Schaltung auf der mikromechanischen Prüfeinrichtung 100 verwendet wird, die eine Auswertung der genannten Kapazitätsmessung selbständig vornimmt. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass Kapazitätswerte Beschleunigungswerten zugeordnet sind, sodass eine Evaluierung des aufgetretenen Beschleunigungswerts durchgeführt werden kann. Eine Zuordnung von Kapazitätswerten zu Beschleunigungswerten kann z.B. in einer Tabelle einer elektronischen Speichereinrichtung hinterlegt sein.
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Auf diese Weise kann eine vollautomatische Erfassung von Beschleunigungswerten, die auf die Prüfeinrichtung 100 eingewirkt haben, durchgeführt werden. Ein Anwendungsbeispiel der vorgeschlagenen mikromechanischen Prüfeinrichtung 100 ist z.B. eine Applikation auf einer Verpackung eines empfindlichen elektronischen Geräts (z.B. Smartphone). Alternativ oder zusätzlich kann die mikromechanische Prüfeinrichtung 100 auch innerhalb eines zu überwachenden Geräts (z.B. Mobiltelefon, Laptop, usw.) angeordnet sein, wobei im Zweifel in einem Garantiefall überprüft werden kann, ob eine übermäßige mechanische Belastung aufgetreten ist, die durch eine Beschädigung eines Erfassungselements 11 der mikromechanischen Prüfeinrichtung 100 festgestellt werden kann. Vorteilhaft kann dadurch auf einfache Weise bei einem Smartphone überprüft werden, ob während der Betriebsdauer ein bestimmter Beschleunigungswert überschritten wurde, um in einem Garantiefall prüfen zu können, wer die Kosten der Reparatur zu tragen hat.
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Vorteilhaft wird im Ergebnis eine einfache kostengünstige Möglichkeit bereitgestellt, eine aufgetretene Beschleunigungseinwirkung auf eine Vorrichtung nachzuweisen.
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Ein ähnlicher Fall wäre beispielsweise eine Auslieferung von Gütern, bei denen im Nachhinein festgestellt werden soll, ob die Ware unsachgemäß behandelt wurde, weil sie zu starken Stößen ausgesetzt war.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 200 z.B. in Form eines Mobiltelefons oder einer Verpackungseinheit, bei der die vorgeschlagene mikromechanische Prüfeinrichtung 100 verwendet werden kann.
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3 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung einer mikromechanischen Prüfeinrichtung 100.
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In einem Schritt 300 wird ein Bereitstellen eines Stammelements 10 mit wenigstens einem mit dem Stammelement 10 integral ausgebildeten Erfassungselement 11 durchgeführt.
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In einem Schritt 310 wird das wenigstens eine Erfassungselement 11 derart ausgebildet, dass es beim Überschreiten einer definierten mechanischen Krafteinwirkung beschädigt wird.
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Vorzugsweise sind die versteifenden Erfassungselemente 11 in einer Polysiliziumschicht ausgebildet. Denkbar ist auch, dass die Erfassungselemente 11 aus einem Keramikmaterial oder Ähnlichem ausgebildet sind.
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Es versteht sich von selbst, dass die vorgehend beschriebene baumartige Erfassungsstruktur lediglich beispielhaft ist, und dass eine Formgebung und eine Anzahl der Erfassungselemente 11 je nach Anwendungsfall zur Realisierung des erfindungsgemäßen Erfassungsprinzips sehr variabel ausgestaltet werden kann. Die in 1 dargestellte Erfassungsstruktur ist daher lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Im Ergebnis wird mit der vorgeschlagenen mikromechanischen Prüfeinrichtung ein kostengünstiges Massenprodukt bereitgestellt, mit dem auf einfache Art und Weise eine Überschreitung eines aufgetretenen Beschleunigungswerts nachgewiesen werden kann.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
