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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement, insbesondere Beschleunigungssensor oder Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche mikromechanischen Bauelemente sind allgemein bekannt. Sie werden beispielsweise zur Messung der Beschleunigung und/oder der Drehrate für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Solche mikromechanischen Bauelemente, insbesondere als Beschleunigungssensor oder als Drehratensensor, weisen in der Regel ein mittels verschiedener Biegefedereinrichtungen gegenüber einem Substrat federnd gelagertes funktionales Element auf, welches in mindestens einer Richtung auslenkbar ist, wobei die Auslenkung durch eine Anschlagseinrichtung begrenzbar ist. Insbesondere ist das funktionale Element als eine seismische Masse ausgebildet, welche durch eine Beschleunigung und/oder eine Drehung der Anordnung in mindestens einer Richtung auslenkbar ist, wobei die Auslenkung der seismischen Masse durch die Anschlagseinrichtung begrenzbar ist.
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Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Strukturen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf einen in der Technologie der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbaren mikromechanischen Beschleunigungssensor erläutert. Die bekannten mikromechanischen Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren funktionieren üblicherweise derart, dass die federnd gelagerte seismische Masse, welche durch eine externe Beschleunigung in mindestens eine Richtung auslenkbar ist, bei Auslenkung eine Kapazitätsänderung an einer damit verbundenen Differentialkondensatoreinrichtung bewirkt, die ein Maß für die Beschleunigung ist.
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Es sind insbesondere Beschleunigungssensoren bekannt, bei denen die Auslenkung der seismischen Masse durch einen festen Anschlag begrenzbar ist oder aber durch einen federnden Anschlag begrenzbar ist, wobei der federnde Anschlag sich über die gesamte Länge einer Biegefederanordnung, etwa zur Aufhängung der seismischen Masse erstreckt. Hierbei hat sich als nachteilhaft herausgestellt, dass solche Anschläge einen vergleichsweise großen Platzbedarf aufweisen und somit vergleichsweise kostenintensiv in der Herstellung sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Platzbedarf für die Realisierung der Funktionalität des Bauelements gegenüber den Lösung gemäß dem Stand der Technik verringert werden kann. So ist es insbesondere vorteilhaft möglich, dass die Breite des ersten Biegefederarms und die Breite des zweiten Biegefederarms erheblich gegenüber einer Anordnung reduzierbar ist, welche die gleiche Federsteifigkeit bzw. die gleiche Federkonstante der Anschlagseinrichtung realisiert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das mikromechanische Bauelement ein Substrat auf, welches in aller Regel flächig erstreckt ist, d.h. eine Haupterstreckungsebene aufweist. Ferner weist das mikromechanische Bauelement eine funktionale Schicht auf und typischerweise als Teil der funktionalen Schicht ein erstes funktionales Element sowie wenigstens ein zweites funktionales Element. Das erste funktionale Element ist relativ zu dem zweiten funktionalen Element parallel zu einer Auslenkungsrichtung beweglich angeordnet oder angebunden und das erste funktionale Element ist ferner relativ zu dem zweiten funktionalen Element parallel zu einer im Wesentlichen senkrecht zur Auslenkungsrichtung verlaufenden weiteren Richtung im Wesentlichen starr angeordnet oder angebunden. Zur Begrenzung einer Relativbewegung zwischen dem ersten funktionalen Element und dem zweiten funktionalen Element (parallel zur Auslenkungsrichtung) weist das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement eine Anschlagsanordnung umfassend eine Biegefederanordnung auf, die sich im Wesentlichen parallel zur weiteren Richtung erstreckt. Die Biegefederanordnung weist erfindungsgemäß einen mit dem ersten funktionalen Element verbundenen und sich im Wesentlichen parallel zur weiteren Richtung erstreckenden ersten Biegefederarm (einer ersten Länge) auf und ferner einen mit dem zweiten funktionalen Element verbundenen und sich im Wesentlichen parallel zur weiteren Richtung erstreckenden zweiten Biegefederarm (einer zweiten Länge) auf.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar. Mit einer Realisierung derart, dass die erste und zweite Länge (des ersten bzw. zweiten Biegefederarms) im Wesentlichen gleich groß sind (d.h. im Wesentlichen etwa der Hälfte der Erstreckung entlang der weiteren Richtung der Biegefederaufhängung des ersten funktionalen Elements entsprechen), ist es in einfacher Weise möglich, mit der geringsten Breite der Biegefederarme eine vorgegebene Rückstellkraft bzw. eine vorgegebene Federkonstante zu realisieren. Ferner kann der Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen mikromechanischen Anordnung dadurch möglichst gering gehalten werden, dass die erste Breite (des ersten Biegefederarms; parallel zur Auslenkungsrichtung) und die zweite Breite (des zweiten Biegefederarms; ebenfalls parallel zur Auslenkungsrichtung) im Wesentlichen gleich sind.
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Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorteilhaft vorgesehen, dass das erste funktionale Element ein Sensorelement des mikromechanischen Bauelements ist, insbesondere als seismische Masse oder als Teil einer seismischen Masse, wobei das Sensorelement insbesondere gegenüber dem Substrat beweglich, insbesondere parallel zur oder in der Haupterstreckungsebene des Substrats angeordnet oder angebunden ist. Ferner ist bevorzugt, dass das zweite funktionale Element ein gegenüber dem Substrat fest (bzw. nicht beweglich) angeordnetes Element ist, insbesondere eine Verankerungsstruktur, und dass die Anschlagsanordnung in einer sich im Wesentlichen entlang der weiteren Richtung erstreckenden Aussparung des ersten funktionalen Elements angeordnet oder ausgebildet ist, insbesondere in dem ersten funktionalen Element zwischen einerseits einer Biegefeder des ersten funktionalen Elements und andererseits einer Elektrodeneinrichtung des ersten funktionalen Elemente.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen
- 1 eine schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat und einer funktionalen Schicht bzw. einer Funktionsschicht,
- 2 eine schematische Draufsicht auf das mikromechanische Bauelement mit dem Substrat sowie mit einem ersten funktionalen Element und einem zweiten funktionalen Element, insbesondere als Teil der funktionalen Schicht bzw. Funktionsschicht,
- 3 und 4 jeweils eine schematische Draufsicht auf verschiedene Ausschnitte eines mikromechanischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik,
- 5 und 6 jeweils eine schematische Draufsicht auf verschiedene Ausschnitte eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat 1 und einer funktionalen Schicht 2 bzw. einer Funktionsschicht 2 dargestellt. Sowohl das Substrat 2 als auch die Funktionsschicht 2 in der Regel flächig erstreckt und weist somit eine Haupterstreckungsebene auf. Dies ist in 2 dargestellt, welche eine schematische Draufsicht auf das mikromechanische Bauelement mit dem Substrat 1 sowie einem ersten funktionalen Element 3 und einem zweiten funktionalen Element 4 darstellt, wobei das erste und zweite funktionale Element 3, 4 insbesondere Teil der funktionalen Schicht 2 bzw. Funktionsschicht 2 ist. Das erste funktionale Element 3 ist parallel zu einer Auslenkungsrichtung 10 relativ zu dem zweiten funktionalen Element 4 beweglich angeordnet bzw. angebunden. Ferner sind die funktionalen Element 3, 4 parallel zu einer im Wesentlichen senkrecht zur Auslenkungsrichtung 10 verlaufenden weiteren Richtung 11 im Wesentlichen starr angeordnet oder angebunden. Zur Begrenzung der Relativbewegung parallel zur Auslenkungsrichtung 10 weisen die funktionalen Elemente 3, 4 (bzw. das mikromechanische Bauelement) eine Anschlagsanordnung 5 auf, die eine sich im Wesentlichen parallel zur weiteren Richtung 11 erstreckende Biegefederanordnung umfasst. Hierzu ist in 2 lediglich schematisch ein sich im Wesentlichen parallel zur weiteren Richtung 11 erstreckender erster Biegefederarm 31 des ersten funktionalen Elements 3 und ein sich im Wesentlichen parallel zur weiteren Richtung 11 erstreckender zweiter Biegefederarm 41 dargestellt.
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In den 3 und 4 ist jeweils eine schematische Draufsicht auf verschiedene Ausschnitte eines mikromechanischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Ein solches mikromechanisches Bauelement gemäß dem Stand der Technik weist ebenfalls ein erstes funktionales Elemente 3' und ein zweites funktionales Element auf, wobei die funktionalen Elemente relativ zu einander parallel zur Auslenkungsrichtung 10 sich beweglich sind, nicht jedoch parallel zur weiteren Richtung 11. Insbesondere stellen die 3 und 4 einen Biegefederarm 41' des zweiten funktionalen Elements dar, der sich nahezu über die gesamte Längte 42' einer Biegefederanordnung 30' erstreckt, mittels welcher das erste funktionale Element 3' am zweiten funktionalen Element angebunden ist. Dieser Biegefederarm 41' weist eine Breite 43' auf und an seinem Ende (rechte Seite in 4) wird ein Anschlag 50' zwischen dem ersten und zweiten funktionalen Element realisiert. Eine Relativauslenkung über den Kontaktpunkt des Anschlags 50' hinaus bewirkt eine Rückstellkraft mit einer Federkonstanten, die aus den Dimensionen des Biegefederarms 41' - insbesondere dessen Breite 43' - resultiert.
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Bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement wird hingegen eine andere Realisierung vorgenommen. Eine solche ist beispielhaft in den 5 und 6 dargestellt: Diese Figuren stellen jeweils eine schematische Draufsicht auf verschiedene Ausschnitte des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements dar. Wiederum ist in 5 sowie in 6 die Auslenkungsrichtung 10 sowie die weitere Richtung 11 eingezeichnet. Beide Richtungen stehen im Wesentlichen senkrecht aufeinander und typischerweise in bzw. parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 1 bzw. der funktionalen Schicht 2 des mikromechanischen Bauelements. In 5 ist sowohl das erste funktionale Element 3 als auch das zweite funktionale Element 4 schematisch dargestellt. Gemäß des in den 5 und 6 dargestellten Beispiels entspricht das erste funktionale Element 3 einer seismischen Masse bzw. einem Sensorelement des mikromechanischen Bauelements, während das zweite funktionale Element 4 einer Verankerungsstruktur am Substrat 1 entspricht. Beispielhaft ist daher mit dem Bezugszeichen 30 eine Biegefederanordnung referenziert, mittels welcher das erste funktionale Element 3 beweglich und federnd gegenüber dem zweiten funktionalen Element 4 angeordnet ist. Das Bezugszeichen 41 referenziert einen Biegefederarm des zweiten funktionalen Elements 4 (nachfolgend auch als zweiter Biegefederarm 41 bezeichnet). Gemäß 6 ist eine weitere Detaildarstellung im Bereich zwischen dem ersten funktionalen Element 3 und dem zweiten funktionalen Element 4 abgebildet. Erkennbar ist wiederum die Biegefederanordnung 30, mittels welcher das erste funktionale Element 3 am zweiten funktionalen Element 4 angebunden ist. Erfindungsgemäß wird nun die Anschlagsanordnung 5 mit Biegefederanordnung zwischen erstem und zweitem funktionalen Element 3, 4 dadurch realisiert, dass die Biegefederanordnung den mit dem ersten funktionalen Element 3 verbundenen und sich im Wesentlichen parallel zur weiteren Richtung 11 erstreckenden ersten Biegefederarm 31 (mit der ersten Länge 32) aufweist und ferner den mit dem zweiten funktionalen Element 4 verbundenen und sich im Wesentlichen parallel zur weiteren Richtung 11 erstreckenden zweiten Biegefederarm 41 (mit der zweiten Länge 42) aufweist. In 6 ist der Fall dargestellt, dass die erste Länge 32 und die zweite Länge 42 im Wesentlichen gleich sind, wobei dies jedoch nicht zwingend der Fall sein muss; ein anderes Verhältnis als 50:50 - beispielsweise 55:45 oder 60:40 (bzw. Reziproke hiervon) - ist erfindungsgemäß ebenfalls realisierbar. Ferner ist gemäß 6 erkennbar, dass der erste Biegefederarm 31 parallel zur Auslenkungsrichtung 10 die erste Breite 33 und der zweite Biegefederarm 41 parallel zur Auslenkungsrichtung 10 die zweite Breite 43 aufweist. Wiederum ist in 6 beispielhaft der Fall dargestellt, dass die erste und zweite Breite 33, 43 im Wesentlichen gleich sind (Federbreite b). Hierdurch wird mittels einer solchen Biegefederanordnung bezüglich der Relativbewegung zwischen dem ersten funktionalen Element 3 und dem zweiten funktionalen Element 4 parallel zur Auslenkungsrichtung 10 eine vorgegebene Federkonstante realisiert. Eine entsprechende (bzw. zu einer (bei vorgegebener Auslenkung) gleich großen Rückstellkraft führende Federkonstante könnte gemäß der in den 3 und 4 dargestellten Ausführung lediglich mit einer deutlich größeren Breite b' eines Biegefederarms realisiert werden - typischerweise mit einer Breite (eine solchen Biegefederarms), die um mehr als 50% größer ist als die Breite des ersten bzw. zweiten Biegefederarms 31, 41 (d.h. die Breite des ersten bzw. zweiten Biegefederarms 31, 41 beträgt gegenüber der benötigten Breite des Biegefederarms gemäß dem Stand der Technik lediglich ca. zwei Drittel oder sogar weniger.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem ersten und zweiten Biegefederarm 31, 41 ein Anschlag 50 bzw. ein Anschlagbereich 50 angeordnet. Somit wird mittels der erfindungsgemäßen Realisierung des ersten und zweiten Biegefederarms 31, 41 eine Anschlagsanordnung 5 realisiert, die gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Anschlagsordnung bei gleichen sonstigen Eigenschaften bauraumgünstiger ausführbar ist. Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine solche Anschlagsanordnung 5 in einer sich im Wesentlichen entlang der weiteren Richtung 11 erstreckenden Aussparung des ersten funktionalen Elements 3 angeordnet oder ausgebildet ist, insbesondere im Bereich des ersten funktionalen Elements 3 zwischen einerseits der Biegefeder 30 des ersten funktionalen Elements 3 und andererseits einer Elektrodeneinrichtung 35 des ersten funktionalen Elemente 3.
