DE102018222730A1

DE102018222730A1 - Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102018222730A1
Application number: DE102018222730.6A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth; Christoph Hermes; Peter Schmollngruber; Thomas Friedrich; Heribert Weber; Hans Artmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-25
Also published as: US11912563B2; WO2020126911A1; CN113226976A; CN113226976B; JP7083431B2; JP2022514297A; US20210395074A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil, dessen Membran (12) beabstandet von einer Bodenseite einer Kavität gehalten ist und Stützstrukturen (20a) an ihrer Membraninnenseite (12a) aufweist, wobei jede der Stützstrukturen (20a) je eine erste Randelementstruktur (32), je eine zweite Randelementstruktur (34) und je mindestens eine zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur (32) und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur (34) angeordnete Zwischenelementstruktur (36) aufweist, wobei für jede der Stützstrukturen (20a) jeweils eine Symmetrieebene (38) definierbar ist, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur (32) der jeweiligen Stützstruktur (20a) und die zweite Randelementstruktur (34) der jeweiligen Stützstruktur (20a) spiegelsymmetrisch sind, und wobei bei jeder der Stützstrukturen (20a) eine erste maximale Ausdehnung (a1) ihrer ersten Randelementstruktur (32) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) und eine zweite maximale Ausdehnung (a2) ihrer zweiten Randelementstruktur (34) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) größer als die mindestens eine jeweilige maximale Ausdehnung (a3) ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil und eine kapazitive Drucksensorvorrichtung. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der DE 10 2009 000 403 A1 ist ein kapazitiver Drucksensor beschrieben, welcher ein Substrat und eine Membran, die eine zwischen der Membran und einer Oberfläche des Substrats liegende Kavität überspannt, umfasst. Die Membran ist mittels zumindest einer Rahmenstruktur beabstandet von der Bodenseite der Kavität gehalten.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine kapazitive Drucksensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft Stützstrukturen an einer Membraninnenseite einer eine Kavität überspannenden Membran mit einer derart vorteilhaften Ausbildung der Stützstrukturen, dass bei einer Einwölbung der Membran in die Kavität und/oder bei einer Auswölbung der Membran aus der Kavität die unmittelbar an den Stützstrukturen in der Membran auftretenden mechanische Spannungen im Vergleich mit dem Stand der Technik weitläufiger verteilt sind. Verglichen mit herkömmlichen an einer Membraninnenseite ausgebildeten Strukturen ist deshalb eine Beschädigung der Membran, wie insbesondere ein Reißen der Membran, seltener zu befürchten. Die vorliegende Erfindung trägt deshalb zur Schaffung von mikromechanischen Bauteilen, bzw. damit ausgestatteten kapazitiven Drucksensorvorrichtungen, bei, welche gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Lebensdauer, bzw. eine höhere Belastungsgrenze, haben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils sind die sich von der Membraninnenseite zu der Bodenseite der Kavität erstreckenden Stützstrukturen jeweils derart benachbart zu einem freitragenden Bereich der Membran angeordnet, dass bei jeder der Stützstrukturen der benachbarte freitragende Bereich auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur weg gerichteten Seite ihrer ersten Randelementstruktur liegt. Aufgrund des vorteilhaften Designs/Layouts der sich von der Membraninnenseite zu der Bodenseite der Kavität erstreckenden Stützstrukturen, insbesondere ihrer ersten Randelementstrukturen, ist ein Auftreten einer hohen lokalen Intensität von mechanischen Spannungen, welche zur Beschädigung der Membran führen könnten, bei einer derartigen Ausrichtung der Stützstrukturen in dem jeweiligen Grenzbereich zwischen jeder der Stützstrukturen und dem benachbarten freitragenden Bereich unterbunden.
Insbesondere kann mindestens eine der sich von der Membraninnenseite zu der Bodenseite der Kavität erstreckenden Stützstrukturen derart benachbart zu einem Außenbereich der Membran angeordnet sein, dass bei der mindestens einen Stützstruktur der benachbarte Außenbereich auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur weg gerichteten Seite ihrer zweiten Randelementstruktur liegt. Auch der für mechanische Spannungen herkömmlicherweise sehr anfällige Grenzbereich zwischen der mindestens einen so angeordneten Stützstruktur und dem benachbarten Außenbereich ist in diesem Fall besser vor einem möglichen Reißen der Membran geschützt.
Alternativ oder ergänzend können zumindest eine erste der sich von der Membraninnenseite zu der Messelektrode erstreckenden Stützstrukturen und eine zweite der sich von der Membraninnenseite zu der Messelektrode erstreckenden Stützstrukturen so zueinander ausgerichtet sein, dass ihre zweiten Randelementstrukturen zueinander ausgerichtet sind, wobei zwischen ihren zweiten Randelementstrukturen eine sich von der Bodenseite der Kavität zu der Membraninnenseite erstreckende Trägerwandstruktur ausgebildet ist. Die sich von der Membraninnenseite zu der Messelektrode erstreckenden Stützstrukturen können somit auch zu einer vergleichsweise großen/großflächigen Aufhängung der Messelektrode kombiniert sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist bei mindestens einer der Stützstrukturen ihre mindestens eine Zwischenelementstruktur an ihrer ersten Randelementstruktur und/oder an ihrer zweiten Randelementstruktur angebunden. Die mindestens eine Zwischenelementstruktur und zumindest eine der zugeordneten Randelementstrukturen können somit eine kompakte/einstückige Gesamtstruktur bilden. Alternativ können die mindestens eine Stützstruktur und die beiden zugeordneten Randelementstrukturen auch räumlich voneinander getrennt vorliegen.
Beispielsweise können bei mindestens einer der Stützstrukturen ihre zwei Zwischenelementstrukturen derart an ihrer ersten Randelementstruktur und an ihrer zweiten Randelementstruktur angebunden sein, dass ihre zwei Zwischenelementstrukturen, ihre erste Randelementstruktur und ihre zweite Randelementstruktur einen sich von der Bodenseite der Kavität zu der Membraninnenseite erstreckenden Hohlraum umrahmen. Ein „Gesamtumfang“ der aus den zwei Zwischenelementstrukturen, der ersten Rahmenelementstruktur und der zweiten Rahmenelementstruktur gebildeten Hohlraumumrahmung kann somit als Angriffsfläche von mechanischen Spannungen dazu genutzt werden, eine Beschädigung/ein Reißen der Membran zu vermeiden.
Optionaler Weise kann die mindestens eine Stützstruktur, deren zwei Zwischenelementstrukturen, deren erste Randelementstruktur und deren zweite Randelementstruktur den jeweiligen Hohlraum umrahmen, mit mindestens zwei runden Außenkanten ausgebildet sein. Ein lokales Auftreten von mechanischen Spannungen an einer spitzen Außenkante kann somit vermieden werden.
Vorzugsweise ist die Kavität mit einem darin vorliegenden Referenzdruck so luftdicht abgedichtet ist, dass die Membran zumindest teilweise mittels eines physikalischen Drucks auf einer von der Kavität weg gerichteten Membranaußenseite der Membran ungleich dem Referenzdruck verformbar ist, wobei eine auf der Bodenseite der Kavität angeordnete Gegenelektrode und die Messelektrode elektrisch derart kontaktierbar sind, dass eine zwischen der Gegenelektrode und der Messelektrode anliegende Spannung abgreifbar ist. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil kann somit vorteilhaft zur Messung des jeweils auf der Membranaußenseite vorherrschenden physikalischen Drucks eingesetzt werden, indem unter Berücksichtigung der zwischen der Gegenelektrode und der Messelektrode abgegriffenen Spannung ein Messwert bezüglich des physikalischen Drucks festgelegt wird.
Die Vorteile des in dem vorausgehenden Absatz beschriebenen mikromechanischen Bauteils sind auch bei einer kapazitiven Drucksensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil und einer Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter Berücksichtigung der zwischen der Gegenelektrode und der Messelektrode abgegriffenen Spannung einen Messwert bezüglich des jeweils auf der Membranaußenseite vorherrschenden physikalischen Drucks festzulegen und auszugeben, gewährleistet.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil die oben erläuterten Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden kann.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a bis 1c schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
2 bis 15 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils; und
16 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.

Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1c zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 1a bis 1c schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil umfasst ein Substrat 10 mit einer Substratoberfläche 10a. Das Substrat 10 ist vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, wie insbesondere ein Siliziumsubstrat. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Substrat 10 anstelle oder als Ergänzung zu Silizium auch mindestens ein weiteres Halbleitermaterial, mindestens ein Metall und/oder mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen kann.
Das mikromechanische Bauteil weist auch eine Membran 12 auf, welche eine zwischen der Membran 12 und der Substratoberfläche 10a liegende Kavität 14 beabstandet von einer von der Membran 12 weg gerichteten Bodenseite 14a der Kavität 14 überspannt. Unter der Lage der Kavität 14 zwischen der Membran 12 und der Substratoberfläche 10a muss jedoch nicht verstanden werden, dass die Bodenseite 14a der Kavität 14 direkt an die Substratoberfläche 10a angrenzt. Stattdessen kann noch mindestens eine die Substratoberfläche 10a zumindest teilweise abdeckende Schicht 16 und 18, wie beispielsweise mindestens eine Isolierschicht 16 und 18, zwischen der Bodenseite 14a der Kavität 14 und der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 liegen. Die mindestens eine Isolierschicht 16 und 18 kann insbesondere eine Siliziumoxidschicht und/oder eine (siliziumreiche) Siliziumnitridschicht sein.
Das mikromechanische Bauteil weist auch mehrere Stützstrukturen 20a und 20b auf, welche sich jeweils von einer Membraninnenseite 12a der Membran 12 zu der Bodenseite 14a der Kavität 14 und/oder von der Membraninnenseite 12a zu einer an der Membran 12 aufgehängten Messelektrode 28 erstrecken. Unter der Membraninnenseite 12a ist eine zu dem Substrat 10 ausgerichtete Seite der Membran 12 zu verstehen. Die Stützstrukturen 20a und 20b können insbesondere in die Membran 12 übergehen, sodass unter der Membraninnenseite 12a auch eine „virtuelle Grenzebene“, welche in einem Abstand zu einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Membranaußenseite 12b liegt, welcher gleich einer minimalen Schichtdicke dmin der Membran 12 senkrecht zu der Substratoberfläche 10a ist, verstanden werden. Die Membran 12 ist zumindest mittels der sich von der Membraninnenseite 12a der Membran 12 zu der Bodenseite 14a der Kavität 14 erstreckenden ersten Stützstrukturen 20a beabstandet von der Bodenseite 14a der Kavität 14 gehalten. Die sich von der Membraninnenseite 12a zu der Messelektrode 28 erstreckenden zweiten Stützstrukturen 20b dienen zur „Elektrodenaufhängung“. Jede der Stützstrukturen 20a und 20b ist separat mit der Membran 12 verbunden. Ebenso ist jede der ersten Stützstrukturen 20a separat an der Bodenseite 14a der Kavität 14 verankert und jede der zweiten Stützstrukturen 20b separat an der Messelektrode 28 verankert.
In der Ausführungsform der 1a bis 1c ist die Kavität 14 beispielhaft luftdicht abgedichtet. Dazu kann beispielsweise eine Rahmenstruktur 22, auf die hier nicht genauer eingegangen wird, die Kavität 14 so luftdicht abdichten, dass ein Referenzdruck p₀ in der Kavität 14 eingeschlossen ist. Wie in 1b erkennbar ist, ist deshalb zumindest ein freitragender Bereich 24 der Membran 12 mittels eines physikalischen Drucks p auf der Membranaußenseite 12b ungleich dem Referenzdruck p₀ verformbar. Die Verformung zumindest des freitragenden Bereichs 24 der Membran 12 aufgrund des darauf einwirkenden physikalischen Drucks p ungleich dem Referenzdruck p₀ ist detektierbar, indem eine Spannung zwischen einer auf der Bodenseite 14a der Kavität 14 angeordneten Gegenelektrode 26 und der Messelektrode 28abgegriffen wird. Dazu sind die Gegenelektrode 26 und die Messelektrode 28 elektrisch derart kontaktierbar, dass die zwischen der Gegenelektrode 26 und der Messelektrode 28 anliegende Spannung abgegriffen werden kann. Anschließend kann zumindest unter Berücksichtigung der abgegriffenen Spannung ein Messwert bezüglich des jeweils auf der Membranaußenseite 12b vorherrschenden physikalischen Drucks p festgelegt werden. Das mikromechanische Bauteil der 1a bis 1c kann somit vorteilhaft als zumindest Teil einer kapazitiven Drucksensorvorrichtung eingesetzt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Verwendbarkeit der anhand der hier beschriebenen und nachfolgenden Figuren ausgeführten mikromechanischen Bauteile nicht auf kapazitive Drucksensorvorrichtungen beschränkt ist.
Wie in 1b erkennbar ist, treten bei einer Verformung zumindest des freitragenden Bereichs 24 der Membran 12 mechanische Spannungen in dem jeweiligen „inneren“ Grenzbereich 30a zwischen jeder der ersten Stützstrukturen 20a und dem freitragenden Bereich 24 auf. Ebenso können bei einer Verformung zumindest des freitragenden Bereichs 24 der Membran 12 auch mechanische Spannungen in dem jeweiligen „äußeren“ Grenzbereich 30b zwischen jeder der ersten Stützstrukturen 20a und einem Außenbereich der Membran 12, wie beispielsweise einem Membranrand an der Rahmenstruktur 22, auftreten. Auch können bei einer Verformung zumindest des freitragenden Bereichs 24 der Membran 12 mechanische Spannungen in dem jeweiligen „äußeren“ Elektrodenaufhängungs-Grenzbereich 31 benachbart zu jeder der zweiten Stützstrukturen 20b auftreten. Wie nachfolgend jedoch genauer erläutert wird, kann das Risiko einer Beschädigung der Membran 12 aufgrund von mechanischen Spannungen, insbesondere das Risiko eines Reißens der Membran 12 durch mechanische Spannungen, mittels einer vorteilhaften Ausbildung der Stützstrukturen 20a und 20b signifikant reduziert werden.
Bei dem mikromechanischen Bauteil ist jede der ersten und zweiten Stützstrukturen 20a und 20b mit je einer ersten Randelementstruktur 32, je einer zweiten Randelementstruktur 34 und je mindestens einer zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur 32 und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur 34 angeordneten Zwischenelementstruktur 36 ausgebildet. 1c zeigt beispielhaft eine der ersten Stützstrukturen 20a, wobei die Teilstrukturen 32 bis 36 jeder ersten Stützstruktur 20a sich jeweils von der Membraninnenseite 12a der Membran 12 zu der Bodenseite 14a der Kavität 14erstrecken. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass auch die zweiten Stützstrukturen 20b die im Weiteren beschriebenen Merkmale aufweisen können, wobei in diesem Fall die Teilstrukturen 32 bis 36 jeder zweiten Stützstruktur 20b sich jeweils von der Membraninnenseite 12a der Membran 12 zu der Messelektrode 28 erstrecken.
Für jede der Stützstrukturen 20a und 20b ist jeweils eine Symmetrieebene 38 definierbar, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur 32 der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b und die zweite Randelementstruktur 34 der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b spiegelsymmetrisch sind. Wahlweise kann auch die mindestens eine Zwischenelementstruktur 36 bezüglich der Symmetrieebene 38 spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Die Symmetrieebene 38 schneidet die Bodenseite 14a der Kavität 14 und die Membraninnenseite 12a der Membran 12. Die Symmetrieebene 38 kann insbesondere senkrecht zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichtet sein.
Außerdem sind bei jeder der Stützstrukturen 20a und 20b eine erste maximale Ausdehnung a1 ihrer ersten Randelementstruktur 32 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 und eine zweite maximale Ausdehnung a2 ihrer zweiten Randelementstruktur 34 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 jeweils größer als die mindestens eine jeweilige maximale Ausdehnung a3 ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38. Bei jeder der Stützstrukturen 20a und 20b ist somit eine Linienlänge einer Grenze ihres Kontaktbereichs/Verankerungsbereichs mit der Membran 12 (an der Membraninnenseite 12a) gegenüber dem Stand der Technik aufgrund der hier beschriebenen Ausbildung der Stützstrukturen 20a und 20b deutlich verlängert. Jede der Stützstrukturen 20a und 20b bietet somit mechanischen Spannungen, welche in der Membran 12 benachbart zu der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b auftreten, deutlich mehr „Angriffsfläche“, sodass die mechanischen Spannungen reduziert werden und damit seltener zu einer Beschädigung der Membran 12, insbesondere seltener zu einem Reißen der Membran 12, führen. Die erste maximale Ausdehnung a1 der jeweiligen ersten Randelementstruktur 32 jeder der Stützstrukturen 20a und 20b und/oder die zweite maximale Ausdehnung a2 der jeweiligen zweiten Randelementstruktur 34 jeder der Stützstrukturen 20a und 20b liegen vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2 µm (Mikrometer) bis 20 µm (Mikrometer). Die jeweilige maximale Ausdehnung a3 der mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 jeder der Stützstrukturen 20a und 20b kann z.B. in einem Bereich zwischen 0,5 µm (Mikrometer) bis 2 µm (Mikrometer) liegen.
Bevorzugter Weise sind die ersten Stützstrukturen 20a jeweils derart benachbart zu dem freitragenden Bereich 24 der Membran 12 angeordnet, dass bei jeder der ersten Stützstrukturen 20a der benachbarte freitragende Bereich 24 auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 weg gerichteten Seite ihrer ersten Randelementstruktur 32 liegt. Die vergleichsweise große erste maximale Ausdehnung a1 der ersten Randelementstruktur 32 gewährleistet somit eine vergleichsweise lange Stirnseite/Stirnfläche der jeweiligen ersten Stützstruktur 20a, welche zu dem freitragenden Bereich 24 der Membran 12 ausgerichtet ist. Die in dem jeweiligen „inneren“ Grenzbereich 30a auftretenden mechanischen Spannungen verteilen sich somit auf eine vergleichsweise große „Angriffsfläche“, sodass eine lokale Intensität der mechanischen Spannungen an der von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 weg gerichteten Seite der ersten Randelementstruktur 32 vergleichsweise niedrig bleibt.
Vorzugsweise ist auch mindestens eine der ersten Stützstrukturen 20a derart benachbart zu einem Außenbereich der Membran 12, wie beispielsweise dem Membranrand an der Rahmenstruktur 22, angeordnet, dass bei der mindestens einen ersten Stützstruktur 20a der benachbarte Außenbereich auf einer vor ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 weg gerichteten Seite ihrer zweiten Randelementstruktur 34 liegt. Auch die zweite Randelementstruktur 34 bietet somit aufgrund ihrer vergleichsweise großen zweiten Ausdehnung a2 senkrecht zu der Symmetrieebene 38 einem in dem „äußeren“ Grenzbereich 30b zwischen dem Außenbereich der Membran 12 und dem jeweiligen Stützelement 20a auftretenden mechanischen Stress eine vergleichsweise große Stirnseite/Stirnfläche. Somit bleibt auch eine lokale Intensität von mechanischen Spannungen in dem „äußeren“ Grenzbereich 30b zwischen dem Außenbereich der Membran 12 und der mindestens einen Stützstruktur 20a vergleichsweise niedrig.
Auf eine vorteilhafte Orientierung der zweiten Stützstrukturen 20b wird unten noch eingegangen.
Wie in 1c erkennbar ist, kann bei mindestens einer der ersten und zweiten Stützstrukturen 20a und 20b ihre mindestens eine Zwischenelementstruktur 36 an ihrer ersten Randelementstruktur 32 und/oder an ihrer zweiten Randelementstruktur 34 angebunden sein. Bei der Ausführungsform der 1a bis 1c ist die (einzige) Zwischenelementstruktur 36 an beiden Randelementstrukturen 32 und 34 angebunden. Alternativ können die mindestens eine Zwischenelementstruktur 36 und die zwei zugeordneten Randelementstrukturen 32 und 34 jedoch auch voneinander getrennt/vereinzelt ausgebildet sein (siehe beispielsweise 2). In der Ausführungsform der 1a bis 1c ist die jeweilige erste Randelementstruktur 32 der Stützstrukturen 20a und 20b jeweils ein sich senkrecht zu der Symmetrieebene 38 mit der ersten maximalen Ausdehnung a1 erstreckender Quader. Entsprechend ist auch die jeweilige zweite Randelementstruktur 34 der Stützstrukturen 20a und 20b jeweils ein sich senkrecht zu der Symmetrieebene 38 mit der zweiten maximalen Ausdehnung a2 erstreckender Quader. Demgegenüber ist die (einzige) Zwischenelementstruktur 36 ein sich entlang der Symmetrieebene 38 erstreckender Quader, welcher bezüglich der Symmetrieebene 38 spiegelsymmetrisch ist, und dessen maximale Ausdehnung a3 senkrecht zu der Symmetrieebene 38 deutlich kleiner als seine Ausdehnungen innerhalb der Symmetrieebene 38 ist. Die Stützstrukturen 20a und 20b weisen somit in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Ebene jeweils einen Querschnitt in Form eines „I“ (großer Buchstabe I) auf.
2 bis 15 zeigen schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils.
Die mittels der 2 bis 15 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteile weisen viele der Merkmale der vorausgehend ausgeführten Ausführungsform auf. Im Weiteren wird deshalb nur auf die Unterschiede zwischen den mikromechanischen Bauteilen der 2 bis 15 und der Ausführungsform der 1a bis 1c eingegangen. Sofern nicht gegenteilig beschriebenen, können die mikromechanischen Bauteile der 2 bis 15 auch die Merkmale der vorausgehend ausgeführten Ausführungsform aufweisen.
Bei dem mittels der 2 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteil unterscheiden sich die Stützstrukturen 20a und 20b von denen der zuvor beschriebenen Ausführungsform lediglich darin, dass jeweils ein erster Spalt 40a zwischen der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 und der ersten Randelementstruktur 32 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b und ein zweiter Spalt 40b zwischen der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 und der zweiten Randelementstruktur 34 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b vorliegt. Die jeweiligen Teilstrukturen 32 bis 36 jeder Stützstruktur 20a und 20b sind somit vereinzelt/getrennt zueinander ausgebildet.
An dem mittels der 3 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteil sind bei mindestens einer der Stützstrukturen 20a und 20b ihre zwei Zwischenelementstrukturen 36a und 36b derart an ihrer ersten Randelementstruktur 32 und an ihrer zweiten Randelementstruktur 34 angebunden, dass ihre zwei Zwischenelementstrukturen 36a und 36b, ihre erste Randelementstruktur 32 und ihre zweite Randelementstruktur 34 einen sich von der Bodenseite 14a der Kavität 14 zu der Membraninnenseite 12a erstreckenden Hohlraum 42 umrahmen. Die Ausbildung der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b als eine den jeweiligen Hohlraum 42 umrahmende Hohlraumumrahmung 44 trägt zur Steigerung der Linienlänge der Grenze ihres Kontaktbereichs/Verankerungsbereichs an der Membran 12 bei. Entsprechend bietet die als Hohlraumumrahmung 44 ausgebildete Stützstruktur 20a oder 20b mechanischen Spannungen noch mehr „Angriffsfläche“, wodurch eine lokale Intensität der an der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b auftretenden mechanischen Spannungen signifikant verringert ist. Vorzugsweise ist die Hohlraumumrahmung 44 spiegelsymmetrisch bezüglich der Symmetrieebene 38 ausgebildet.
Wie in 4 erkennbar ist, kann die mindestens eine Stützstruktur 20a oder 20b, deren zwei Zwischenelementstrukturen 36a und 36b, deren erste Randelementstruktur 32 und deren zweite Randelementstruktur 34 den jeweiligen Hohlraum 42 umrahmen, mit mindestens zwei runden Außenkanten 46 ausgebildet sein. Beispielhaft sind bei dem mikromechanischen Bauteil der 4 die runden Außenkanten 46 an der von den Zwischenelementstrukturen 36a und 36b weg gerichteten Seite ihrer zweiten Randelementstruktur 34 ausgebildet.
Demgegenüber weist das mikromechanische Bauteil der 5 mindestens eine als Hohlraumumrahmung 44 ausgebildete Stützstruktur 20a und 20b auf, bei welcher die runden Außenkanten 46 an der von den Zwischenelementstrukturen 36a und 36b weg gerichteten Seite der ersten Randelementstruktur 32 ausgebildet sind. Das mikromechanische Bauteil der 6 weist mindestens eine Stützstruktur 20a und 20b mit vier runden Außenkanten 46 auf, wobei je zwei runde Außenkanten 46 an der von den Zwischenelementstrukturen 36a und 36b weg gerichteten Seite der ersten Randelementstruktur 32 und an der von den Zwischenelementstrukturen 36a und 36b weg gerichteten Seite der zweiten Randelementstruktur 34 ausgebildet sind. Mindestens eine der Stützstrukturen 20a und 20b des mikromechanischen Bauteils der 6 weist somit in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Ebene einen Querschnitt in Form eines „abgerundeten Rechtecks“ auf.
Die im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen eignen sich insbesondere als zweite Stützstrukturen 20b vorteilhaft. Vorzugsweise sind in diesem Fall die zweiten Stützstrukturen 20b derart ausgerichtet, dass der benachbarte „äußere“ Elektrodenaufhängungs-Grenzbereich 31 auf einer vor ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur 36 weg gerichteten Seite ihrer ersten Randelementstruktur 32 liegt. Die erste Randelementstruktur 32 bietet somit aufgrund ihrer vergleichsweise großen ersten Ausdehnung a1 senkrecht zu der Symmetrieebene 38 einem in dem „äußeren“ Elektrodenaufhängungs-Grenzbereich 31 auftretenden mechanischen Stress eine vergleichsweise große Stirnseite/Stirnfläche. Deshalb bleibt auch eine lokale Intensität von in dem „äußeren“ Elektrodenaufhängungs-Grenzbereich 31 auftretenden mechanischen Spannungen vergleichsweise niedrig.
Bei dem mittels der 7 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteil sind (zumindest) die zweiten Stützstrukturen 20b jeweils als Hohlraumumrahmung 44 ausgebildet. Allerdings weisen die Zwischenelementstrukturen 36a und 36b in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung innerhalb der Symmetrieebene 38 eine Länge L₃₆ auf, welche deutlich größer als die erste maximale Ausdehnung a1 ihrer ersten Randelementstruktur 32 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 und die zweite maximale Ausdehnung a2 ihrer zweiten Randelementstruktur 34 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 ist. Die Länge L₃₆ der Zwischenelementstrukturen 36a und 36b in der parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung innerhalb der Symmetrieebene 38 kann beispielsweise größer-gleich 5 µm (Mikrometer), insbesondere größer-gleich 10 µm (Mikrometer), sein.
Die in 8 schematisch dargestellte Stützstruktur 20b unterscheidet sich von der in 7 gezeigten lediglich darin, dass eine an der ersten Randelementstruktur 32 angebundene ersten Zwischenelementstruktur 36a um einen ersten Spalt 48a von der zweiten Randelementstruktur 34 beabstandet ist, während eine an der zweiten Randelementstruktur 34 angebundene zweite Zwischenelementstruktur 36b um einen zweiten Spalt 48b von der ersten Randelementstruktur 32 beabstandet ist.
Auch die in 9 und 10 wiedergegebenen Stützstrukturen 20b weisen in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a des Substrats 10 ausgerichteten Ebene jeweils einen Querschnitt in Form eines „I“ (großer Buchstabe I) auf. Im Unterschied zu den Ausführungsformen der 1c und 2 hat die (einzige) Zwischenelementstruktur 36 in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung innerhalb der Symmetrieebene 38 eine Länge L₃₆ , welche deutlich größer als die erste maximale Ausdehnung a1 der benachbarten ersten Randelementstruktur 32 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 und die zweite maximale Ausdehnung a2 der benachbarten zweiten Randelementstruktur 34 senkrecht zu ihrer Symmetrieebene 38 ist. Im Unterschied zu der Ausführungsform der 10 zeigt 9 eine Stützstruktur 20b, bei welcher jeweils ein erster Spalt 40a zwischen der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 und der ersten Randelementstruktur 32 der gleichen Stützstruktur 20b und ein zweiter Spalt 40b zwischen der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 und der zweiten Randelementstruktur 34 der gleichen Stützstruktur 20b liegt.
Wie in 11 und 12 erkennbar ist, können die erste Randelementstruktur 32 und die zweite Randelementstruktur 34 jeder Stützstruktur 20a und 20b jeweils auch in Form eines (geraden) Prismas ausgebildet sein. In diesem Fall verjüngt sich eine Ausdehnung des jeweiligen (geraden) Prismas senkrecht zu der Symmetrieebene 38 in Richtung zu der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b. Optionaler Weise kann auch in diesem Fall ein erster Spalt 50a zwischen der ersten Randelementstruktur 32 und der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b und ein zweiter Spalt 50b zwischen der zweiten Randelementstruktur 34 und der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b ausgebildet sein (siehe 12).
Die mittels der 13 schematisch wiedergegebene Stützstruktur 20b hat eine erste Randelementstruktur 32 mit einer Auswölbung an ihrer von der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20b weg gerichteten Seite. Die erste Randelementstruktur 32 umfasst somit einen Quader mit einem an der von der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20b weg gerichteten Seite ausgebildeten Kugelsegment. Die erste Randelementstruktur 32 ist somit „nagelkopfförmig“ geformt. Auch diese Form der ersten Randelementstruktur 32 trägt zur zusätzlichen Steigerung ihrer „Angriffsfläche“ für mechanischen Stress bei und reduziert damit das Risiko eines Reißens der Membran 12 unmittelbar an der jeweiligen Stützstruktur 20a oder 20b. Optionaler Weise kann auch die zweite Randelementstruktur 34 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b derart „nagelkopfförmig“ ausgebildet sein, indem die zweite Randelementstruktur 34 einen Quader mit einem an der von der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b weg gerichteten Seite ausgebildeten Kugelsegment umfasst. Die Randelementstrukturen 32 und 34 können auch von der (einzigen) Zwischenelementstruktur 36 der gleichen Stützstruktur 20a oder 20b (mittels mindestens eines Spalts) getrennt sein.
Bei den mittels der 14 und 15 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteilen sind zumindest eine der zweiten Stützstrukturen 20b und eine weitere der zweiten Stützstrukturen 20b so zueinander ausgerichtet, dass ihre zweiten Randelementstrukturen 34 zueinander ausgerichtet sind, wobei zwischen ihren zweiten Randelementstrukturen eine sich von der Bodenseite 14a der Kavität 14 zu der Membraninnenseite 12a erstreckende Trägerwandstruktur 52 ausgebildet ist. Die Trägerwandstruktur 52 weist vorzugsweise in einer parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Richtung innerhalb der Symmetrieebene 38 eine Länge L₅₂ auf, welche deutlich größer als die erste maximale Ausdehnung a1 und die zweite maximale Ausdehnung a2 ist. Die Länge L₅₂ der Trägerwandstruktur 52 in der parallel zu der Substratoberfläche 10a ausgerichteten Raumrichtung innerhalb der Symmetrieebene 38 kann beispielsweise größer-gleich 10 µm (Mikrometer), insbesondere größer-gleich 15 µm (Mikrometer), sein. Die Trägerwandstruktur 52 kann wahlweise an mindestens einer der benachbarte Stützstruktur 20b angebunden sein (14). Alternativ kann auch ein erster Spalt 54a zwischen der benachbarten Stützstruktur 20b und der Trägerwandstruktur 52 und ein zweiter Spalt 54b zwischen der weiteren benachbarten Stützstruktur 20b und der Trägerwandstruktur 52 liegen.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der mittels der 2 bis 15 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteile wird auf die Ausführungsform der 1a bis 1c verwiesen.
Die oben beschriebenen Formen der Stützstrukturen 20a und 20b können auch so miteinander „kombiniert“ werden, dass ein mikromechanisches Bauteil verschiedene Formen von Stützstrukturen 20a und 20b aufweist.
Alle oben beschriebenen Stützstrukturen 20a und 20b gewährleisten eine Vergrößerung ihrer Linienlänge der Grenze ihres Kontaktbereichs/Verankerungsbereichs mit der Membran 12 (an der Membraninnenseite 12a) gegenüber dem Stand der Technik. Man kann dies auch als eine Vergrößerung der Linienlänge für die Membrankontaktierung umschreiben. Durch die Vergrößerung der Linienlänge für die Membrankontaktierung der Stützelemente 20 wird eine lokale Intensität der mechanischen Spannungen an der Grenze ihres Kontaktbereichs/Verankerungsbereichs mit der Membran 12 reduziert. Auf diese Weise wird auch ein Risiko einer Rissbildung in der Membran 12 gegenüber dem Stand der Technik reduziert. Die Stützstrukturen 20a und 20b können auch mindestens zwei in einer entlang oder parallel zu der Symmetrieebene 38 ausgerichteten Reihe angeordnete Zwischenelementstrukturen 36, 36a oder 36b aufweisen.
Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können jeweils in einer kapazitiven Drucksensorvorrichtung eingesetzt werden. Vorzugsweise umfasst die kapazitive Drucksensorvorrichtung zusätzlich eine Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter Berücksichtigung der zwischen der Gegenelektrode 26 und der Messelektrode 28 abgegriffenen Spannung einen Messwert bezüglich des jeweils auf der Membranaußenseite 12b vorherrschenden physikalischen Drucks p festzulegen und auszugeben.
16 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Das Herstellungsverfahren umfasst zumindest einen Verfahrensschritt S1, im welchem eine Membran an einem Substrat mit einer Substratoberfläche derart aufgespannt wird, dass die Membran eine zwischen der Membran und der Substratoberfläche liegende Kavität beabstandet von einer weg von der Membran gerichteten Bodenseite der Kavität überspannt. In einem Verfahrensschritt S2 werden mehrere Stützstrukturen gebildet, welche sich jeweils von einer Membraninnenseite der Membran zu der Bodenseite der Kavität und/oder von der Membraninnenseite zu einer an der Membran aufgehängten Messelektrode erstrecken. Der Verfahrensschritt S2 kann gleichzeitig oder zeitlich überlappend mit dem Verfahrensschritt S1 ausgeführt werden. Der Verfahrensschritt S2 kann auch vor oder nach dem Verfahrensschritt S1 ausgeführt werden.
Außerdem wird jede der Stützstrukturen mit je einer ersten Randelementstruktur, je einer zweiten Randelementstruktur und je mindestens einer zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur angeordneten Zwischenelementstruktur derart gebildet, dass für jede der Stützstrukturen jeweils eine Symmetrieebene definierbar ist, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur der jeweiligen Stützstruktur und die zweite Randelementstruktur der jeweiligen Stützstruktur spiegelsymmetrisch ist. Des Weiteren werden die Teilstrukturen jeder der Stützstrukturen jeweils so gebildet, dass bei jeder der Stützstrukturen eine erste maximale Ausdehnung ihrer ersten Randelementstruktur senkrecht zu ihrer Symmetrieebene und eine zweite maximale Ausdehnung ihrer zweiten Randelementstruktur senkrecht zu ihrer Symmetrieebene größer als die mindestens eine maximale Ausdehnung ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur senkrecht zu ihrer Symmetrieebene sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009000403 A1 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a); einer Membran (12), welche eine zwischen der Membran (12) und der Substratoberfläche (10a) liegende Kavität (14) beabstandet von einer weg von der Membran (12) gerichteten Bodenseite (14a) der Kavität (14) überspannt; und mehreren Stützstrukturen (20a und 20b), welche sich jeweils von einer Membraninnenseite (12a) der Membran (12) zu der Bodenseite (14a) der Kavität (14) und/oder von der Membraninnenseite (12a) zu einer an der Membran (12) aufgehängten Messelektrode (28) erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stützstrukturen (20a und 20b) je eine erste Randelementstruktur (32), je eine zweite Randelementstruktur (34) und je mindestens eine zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur (32) und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur (34) angeordnete Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) aufweist, wobei für jede der Stützstrukturen (20a und 20b) jeweils eine Symmetrieebene (38) definierbar ist, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur (32) der jeweiligen Stützstruktur (20a oder 20b) und die zweite Randelementstruktur (34) der jeweiligen Stützstruktur (20a oder 20b) spiegelsymmetrisch sind, und wobei bei jeder der Stützstrukturen (20a und 20b) eine erste maximale Ausdehnung (a1) ihrer ersten Randelementstruktur (32) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) und eine zweite maximale Ausdehnung (a2) ihrer zweiten Randelementstruktur (34) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) größer als die mindestens eine jeweilige maximale Ausdehnung (a3) ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) sind.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die sich von der Membraninnenseite (12a) zu der Bodenseite (14a) der Kavität (14) erstreckenden Stützstrukturen (20a) jeweils derart benachbart zu einem freitragenden Bereich (24) der Membran (12) angeordnet sind, dass bei jeder der Stützstrukturen (20a) der benachbarte freitragende Bereich (24) auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) weg gerichteten Seite ihrer ersten Randelementstruktur (32) liegt.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei mindestens eine der sich von der Membraninnenseite (12a) zu der Bodenseite (14a) der Kavität (14) erstreckenden Stützstrukturen (20a) derart benachbart zu einem Außenbereich der Membran (12) angeordnet ist, dass bei der mindestens einen Stützstruktur (20a) der benachbarte Außenbereich auf einer von ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) weg gerichteten Seite ihrer zweiten Randelementstruktur (34) liegt.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine erste der sich von der Membraninnenseite (12a) zu der Messelektrode (28) erstreckenden Stützstrukturen (20b) und eine zweite der sich von der Membraninnenseite (12a) zu der Messelektrode (28) erstreckenden Stützstrukturen (20b) so zueinander ausgerichtet sind, dass ihre zweiten Randelementstrukturen (34) zueinander ausgerichtet sind, wobei zwischen ihren zweiten Randelementstrukturen (34) eine sich von der Bodenseite (14a) der Kavität (14) zu der Membraninnenseite (12a) erstreckende Trägerwandstruktur (52) ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei mindestens einer der Stützstrukturen (20a und 20b) ihre mindestens eine Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) an ihrer ersten Randelementstruktur (32) und/oder an ihrer zweiten Randelementstruktur (34) angebunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei bei mindestens einer der Stützstrukturen (20a und 20b) ihre zwei Zwischenelementstrukturen (36a, 36b) derart an ihrer ersten Randelementstruktur (32) und an ihrer zweiten Randelementstruktur (34) angebunden sind, dass ihre zwei Zwischenelementstrukturen (36a, 36b), ihre erste Randelementstruktur (32) und ihre zweite Randelementstruktur (34) einen sich von der Bodenseite (14a) der Kavität (14) zu der Membraninnenseite (12) erstreckenden Hohlraum (42) umrahmen.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine Stützstruktur (20a und 20b), deren zwei Zwischenelementstrukturen (36a, 36b), deren erste Randelementstruktur (32) und deren zweite Randelementstruktur (34) den jeweiligen Hohlraum (42) umrahmen, mit mindestens zwei runden Außenkanten (46) ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavität (14) mit einem darin vorliegenden Referenzdruck (p₀) so luftdicht abgedichtet ist, dass die Membran (12) zumindest teilweise mittels eines physikalischen Drucks (p) auf einer von der Kavität (14) weg gerichteten Membranaußenseite (12b) der Membran (12) ungleich dem Referenzdruck (p₀) verformbar ist, und wobei eine auf der Bodenseite (14a) der Kavität (14) angeordnete Gegenelektrode (26) und die Messelektrode (28) elektrisch derart kontaktierbar sind, dass eine zwischen der Gegenelektrode (26) und der Messelektrode (28) anliegende Spannung abgreifbar ist.
Kapazitive Drucksensorvorrichtung mit: einem mikromechanisches Bauteil gemäß Anspruch 8; und einer Auswerteelektronik, welche dazu ausgelegt ist, zumindest unter Berücksichtigung der zwischen der Gegenelektrode (26) und der Messelektrode (28) abgegriffenen Spannung einen Messwert bezüglich des jeweils auf der Membranaußenseite (12b) vorherrschenden physikalischen Drucks (p) festzulegen und auszugeben.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Aufspannen einer Membran (12) an einem Substrat (10) mit einer Substratoberfläche (10a) derart, dass die Membran (12) eine zwischen der Membran (12) und der Substratoberfläche (10a) liegende Kavität (14) beabstandet von einer weg von der Membran (12) gerichteten Bodenseite (14a) der Kavität (14) überspannt, wobei mehrere Stützstrukturen (20a und 20b) welche sich jeweils von einer Membraninnenseite (12a) der Membran (12) zu der Bodenseite (14a) der Kavität (14) und/oder von der Membraninnenseite (12a) zu einer an der Membran (12) aufgehängten Messelektrode (28) erstrecken, gebildet werden; dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stützstrukturen (20a und 20b) mit je einer ersten Randelementstruktur (32), je einer zweiten Randelementstruktur (34) und je mindestens einer zwischen der zugeordneten ersten Randelementstruktur (32) und der zugeordneten zweiten Randelementstruktur (34) angeordneten Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) derart gebildet wird, dass für jede der Stützstrukturen (20a und 20b) jeweils eine Symmetrieebene (38) definierbar ist, bezüglich welcher zumindest die erste Randelementstruktur (32) der jeweiligen Stützstruktur (20a oder 20b) und die zweite Randelementstruktur (34) der jeweiligen Stützstruktur (20a oder 20b) spiegelsymmetrisch ist, und bei jeder der Stützstrukturen (20a und 20b) eine erste maximale Ausdehnung (a1) ihrer ersten Randelementstruktur (32) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) und eine zweite maximale Ausdehnung (a2) ihrer zweiten Randelementstruktur (34) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) größer als die mindestens eine maximale Ausdehnung (a3) ihrer mindestens einen Zwischenelementstruktur (36, 36a, 36b) senkrecht zu ihrer Symmetrieebene (38) sind.