DE102020205616A1

DE102020205616A1 - Mikromechanische Sensoranordnung, Verfahren zur Verwendung einer mikromechanischen Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102020205616A1
Application number: DE102020205616.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-04
Filing date: 2020-05-04
Publication date: 2021-11-04
Also published as: TW202144277A; US20210341510A1; CN113607974A; US11619647B2

Abstract

Es wird eine mikromechanische Sensoranordnung, insbesondere Beschleunigungssensor, mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat vorgeschlagen, wobei die Sensoranordnung eine erste Masse und eine zweite Masse umfasst, wobei die erste und zweite Masse jeweils zumindest teilweise beweglich in eine senkrechte Richtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats, ausgebildet sind, wobei die erste Masse eine Anschlagstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagstruktur in die senkrechte Richtung einen Überlapp mit der zweiten Masse aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche mikromechanischen Sensoranordnungen bzw. mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) sind allgemein bekannt. Sie werden beispielsweise zur Messung von Beschleunigungen und/oder Drehraten für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt.
Als kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (typischerweise als z-Richtung bezeichnet) werden beispielsweise sog. „Wippen“ bzw. Wippenstrukturen genutzt. Das Sensorprinzip dieser Wippen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche asymmetrische seismische Masse mit zwei Gegenelektroden zwei Plattenkondensatoren mit Kapazitäten C1 und C2 bildet. Die seismische Masse ist über mindestens eine Torsionsfeder (üblicherweise eher zwei Torsionsfedern) mit der Unterlage verbunden. Da die Massestrukturen auf den beiden Seiten der Torsionsfeder unterschiedlich groß sind, dreht sich die Massestruktur beim Einwirken einer z-Beschleunigung relativ zur Torsionsfeder als Drehachse. Damit wird der Abstand der Elektroden auf der Seite mit der größeren Masse kleiner und auf der anderen Seite größer. Die resultierende Kapazitätsänderung, welche typischerweise differentiell als C1 - C2 ausgewertet wird, ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Derartige Beschleunigungssensoren sind beispielsweise in der EP 0 244 581 und EP 0 773 443 B1 beschrieben.
Ein wichtiger Trend in der Weiterentwicklung von mikromechanischen Sensoren ist die Erhöhung der mechanischen Robustheit bzw. Überlastfestigkeit. Bedingt durch innovative Applikationen ergeben sich neue Einbaulagen und damit auch neuartige Belastungsprofile mit steigenden Robustheitsanforderungen für die Sensoren. Beispielsweise ist es denkbar, dass Inertialsensoren in Eingabestiften von Tablets, Smartphones oder Computern montiert werden. Während Tablets oder auch Smartphones nur gelegentlich harten Schocks ausgesetzt sind, muss damit gerechnet werden, dass dies bei einem Eingabestift sehr häufig der Fall ist.
Zudem müssen die Beschleunigungssensoren zur Absenkung der Herstellkosten möglichst klein gebaut werden, um möglichst viele Chips auf einem Wafer platzieren zu können. Bei einer Verringerung der Sensorkernfläche müssen die Massen und die Federsteifigkeiten der Sensoren verringert werden. Dies führt jedoch auch zu einer Absenkung der Federrückstellkräfte, wenn der Sensor gegen einen Anschlag prallt.
Beide Trends in Kombination - steigende Schockbelastungen bei gleichzeitigem Streben nach Miniaturisierung - führen zu einem erheblich erhöhten Risiko für ein Kleben (Stiction), bei dem die bewegliche Sensormasse an einem mechanischen Festanschlag hängen bleibt, sobald die Adhäsionskräfte im Anschlag größer sind als die Rückstellkräfte des Feder-Masse-Systems.
Zur Verringerung der Adhäsionskräfte wird oftmals ein sogenanntes Anti-Stiction-Coating (ASC) eingesetzt, das nach dem Freistellen des Sensors auf seiner Oberfläche angeordnet wird. Schlägt ein Sensor aber sehr oft an einen Anschlag an, kann es zu einer Schädigung des ASC kommen, so dass der Sensor schließlich eine erhöhte Klebeneigung zeigt.
Z-Beschleunigungssensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die DE 10 2008 043 753 A1 zeigt einen Sensor mit federndem Anschlag, der in derselben Funktionsebene wie die seismische Masse realisiert ist. Die EP 3 111 232 B1 zeigt eine Anordnung, bei der der Anschlag nicht nur in eine Richtung, sondern beidseitig, also sowohl in Richtung der Bodenelektroden als auch in Richtung der Sensorkappe, wirken kann. Die DE 10 2012 207 939 A1 zeigt einen federnden Anschlag, der aus einer zweiten dünnen Funktionsschicht unterhalb oder oberhalb einer dickeren Funktionsschicht gebildet wird.
Auch wenn federnde Anschläge bei geeigneter Dimensionierung zu einer effektiven Erhöhung der Rückstellkraft beitragen, bleibt Kleben eine erhebliche Herausforderung für die Qualität von Sensoren und insbesondere auch von z-Beschleunigungssensoren.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mikromechanische Sensoranordnung bereitzustellen, die eine erhöhte Überlastfestigkeit aufweist, wobei insbesondere ein Kleberisiko robust und effizient verringert werden kann.
Die erfindungsgemäße mikromechanische Sensoranordnung gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine vorteilhafte Robustheit des Sensors gegenüber Überlastungsereignissen ermöglicht wird. Vorteilhafterweise kann beispielsweise das Kleberisiko von z-Beschleunigungssensoren beim Auftreten von dynamischen Belastungen (also nicht-statischen Beschleunigungen) reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Implementierung der Anschlagstruktur bevorzugt ohne neue technologische Anforderungen in bestehende MEMS-Fertigungsprozesse implementiert werden kann, sodass keine/kaum Zusatzkosten in der Fertigung entstehen.
Es ist ferner vorteilhaft, dass die erfindungsgemäß erforderlichen Designänderungen am Sensor vergleichsweise gering sind, so dass sich die statischen (Offset, Empfindlichkeit) und dynamischen Eigenschaften (Frequenz, Dämpfung, ...) des Sensors nicht signifikant verändern. Dies sorgt ebenso für eine kosteneffiziente Integrationsmöglichkeit in bereits bestehende Sensorausgestaltungen.
Ferner kann die Anschlagstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kompakt ausgeführt werden, so dass ein lediglich vernachlässigbarer Zusatzplatzbedarf entsteht. Entsprechend entstehen keine/kaum Mehrkosten, insbesondere bei Sensoranordnungen, die eine erste und zweite seismische Masse umfassen (Doppelkerne) und eine entsprechende Performance aufweisen.
Erfindungsgemäß kann der Überlapp der Anschlagstruktur mit der zweiten Masse (in die senkrechte Richtung) insbesondere derart ausgebildet sein, dass bei einer Orthogonalprojektion der ersten Masse (inklusiver der Anschlagstruktur) und der zweiten Masse auf die Haupterstreckungsebene des Substrats, ein Überlapp zwischen der zweiten Masse und der Anschlagstruktur ausgebildet ist. Die Anschlagstruktur ist entsprechend - in einer Aufsicht (auf die Haupterstreckungsebene) betrachtet - derart angeordnet, dass sie einen Überlapp bzw. Teilüberlapp mit der zweiten Masse aufweist.
Es ist erfindungsgemäß insbesondere denkbar, dass die erste und zweite Masse nebeneinander als Einzelkerne eines Sensors (insbesondere eines z-Beschleunigungssensors und beispielswiese jeweils in Wippen- oder Trampolinform) angeordnet sind. Die erste und zweite Masse können sich innerhalb des normalen Messbereichs unabhängig voneinander, also insbesondere berührungsfrei, bewegen. Es ist somit insbesondere denkbar, dass die erste Anschlagstruktur und die zweite Masse im Ruhezustand der Sensoranordnung kontaktlos und voneinander beabstandet ausgebildet sind.
Die Anschlagstruktur ist bevorzugt so angeordnet, dass bei starker Auslenkung, also in einem Überlastungsfall, die zweite Masse mit der überlappenden Anschlagstruktur der ersten Masse in mechanischen Kontakt geraten kann und/oder dass die zweite Masse mit der überlappenden Anschlagstruktur der ersten Masse nach einem Überlastungsfall in mechanischen Kontakt geraten kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Überlapp der Anschlagstruktur mit der zweiten Masse in die senkrechte Richtung dadurch ausgebildet ist, dass die Anschlagstruktur in die senkrechte Richtung zumindest teilweise zwischen der zweiten Masse und dem Substrat angeordnet ist. Die Anschlagstruktur kann sich dementsprechend in einen Bereich unterhalb der zweiten Masse erstrecken, sodass in Aufsicht ein Überlapp bzw. Teilüberlapp der Anschlagstruktur mit der zweiten Masse besteht. Hierdurch kann ein Festkleben besonders vorteilhaft verhindert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die zweite Masse eine weitere Anschlagstruktur aufweist, wobei die weitere Anschlagstruktur in die senkrechte Richtung einen weiteren Überlapp mit der ersten Masse aufweist. Der weitere Überlapp der weiteren Anschlagstruktur mit der ersten Masse (in die senkrechte Richtung) kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass bei einer Orthogonalprojektion der ersten Masse und der zweiten Masse (inklusiver der weiteren Anschlagstruktur) auf die Haupterstreckungsebene des Substrats, ein weiterer Überlapp zwischen der ersten Masse und der weiteren Anschlagstruktur ausgebildet ist. Die weitere Anschlagstruktur ist entsprechend - in einer Aufsicht (auf die Haupterstreckungsebene) betrachtet - derart angeordnet, dass sie einen weiteren Überlapp bzw. Teilüberlapp mit der ersten Masse aufweist. Die beiden nebeneinander angeordneten Einzelkerne können sich entsprechend innerhalb des normalen Messbereichs unabhängig, also berührungsfrei, bewegen. Der Sensor ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass bei starker Auslenkung (im Überlastungsfall) mindestens einer der Einzelkerne (also die erste oder zweite Masse) mit dem überlappenden Anschlag des anderen Einzelkerns (also der Anschlagstruktur oder weiteren Anschlagstruktur) in mechanischen Kontakt geraten kann. Entsprechend kann eine besonders vorteilhafte Erhöhung der Kleberobustheit für beide Einzelkerne erzielt werden.
Entsprechend ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch eine Sensoranordnung mit weiteren Massen und entsprechenden Anschlagstrukturen denkbar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der weitere Überlapp der weiteren Anschlagstruktur mit der ersten Masse in die senkrechte Richtung dadurch ausgebildet ist, dass die weitere Anschlagstruktur in die senkrechte Richtung zumindest teilweise zwischen der ersten Masse und dem Substrat angeordnet ist. Die weitere Anschlagstruktur kann sich dementsprechend in einen Bereich unterhalt der ersten Masse erstrecken, sodass in Aufsicht ein weiterer Überlapp bzw. Teilüberlapp der weiteren Anschlagstruktur mit der ersten Masse besteht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Sensoranordnung derart ausgebildet ist, dass in einem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der Anschlagstruktur und der zweiten Masse ausgebildet wird, wobei die Sensoranordnung bevorzugt derart ausgebildet ist, dass in dem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der weiteren Anschlagstruktur und der ersten Masse ausgebildet wird. Es kann somit eine vorteilhafte Erhöhung der Kleberobustheit für eine oder beide Massen erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Anschlagstruktur federnd ausgebildet ist, wobei bevorzugt die weitere Anschlagstruktur federnd ausgebildet ist. Die Anschlagstruktur ist insbesondere relativ zur ersten Masse federnd ausgebildet bzw. federnd an der ersten Masse angebunden. Die weitere Anschlagstruktur ist insbesondere relativ zur zweiten Masse federnd ausgebildet bzw. federnd an der zweiten Masse angebunden. Hierdurch kann die Klebewahrscheinlichkeit besonders vorteilhaft verringert werden. Ferner können die federnden Anschlagstrukturen in vorteilhafter Weise bei Zusammenstößen mit dem jeweils anderen Sensorkern auch bei einer besonders dünnen Ausführung der jeweiligen Anschlagstruktur vor einer Zerstörung bewahrt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite Masse ein Kontaktelement, insbesondere einen Vorsprung, aufweist, wobei das Kontaktelement derart angeordnet ist, dass in und/oder nach einem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse über das Kontaktelement und die Anschlagstruktur hergestellt wird, wobei bevorzugt die erste Masse ein weiteres Kontaktelement, insbesondere einen weiteren Vorsprung, aufweist, wobei das weitere Kontaktelement derart angeordnet ist, dass in und/oder nach einem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse über das weitere Kontaktelement und die weitere Anschlagstruktur hergestellt wird. So kann das Kontaktelement beispielsweise als Vorsprung, Auswölbung oder Noppe an einer Unterseite der zweiten Masse ausgebildet sein und über der Anschlagstruktur der ersten Masse (und im Ruhezustand kontaktlos und beabstandet von der Anschlagstruktur der ersten Masse) angeordnet sein. Entsprechendes ist für das weitere Kontaktelement der ersten Masse und die weitere Anschlagstruktur denkbar. Hierdurch kann der jeweilige Kontaktbereich besonders präzise über die Geometrie der jeweiligen Anschlagstruktur und die Geometrie des entsprechenden Kontaktelements eingestellt werden.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt denkbar, dass die Anschlagstruktur einteilig mit der ersten Masse bzw. als Teil der ersten Masse ausgebildet ist. Es ist bevorzugt denkbar, dass die weitere Anschlagstruktur einteilig mit der zweiten Masse bzw. als Teil der zweiten Masse ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders kostengünstiger und effizienter Herstellungsprozess. Es ist alternativ jedoch auch denkbar, dass die Anschlagstruktur eine separate Struktur ist, die mit der ersten Masse verbunden ist und/oder dass die weitere Anschlagstruktur eine separate Struktur ist, die mit der zweiten Masse verbunden ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung einer mikromechanischen Sensoranordnung zur Messung einer Messgröße, insbesondere eines Beschleunigungssensors zur Messung einer Beschleunigung, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass in einem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der Anschlagstruktur und der zweiten Masse ausgebildet wird, wobei bevorzugt in dem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der weiteren Anschlagstruktur und der ersten Masse ausgebildet wird. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass nach einem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der Anschlagstruktur und der zweiten Masse ausgebildet wird, wobei bevorzugt nach dem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der weiteren Anschlagstruktur und der ersten Masse ausgebildet wird.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass in einem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der Anschlagstruktur und der zweiten Masse ausgebildet wird bevor die zweite Masse und/oder die erste Masse mit einer weiteren Struktur der Sensoranordnung in Kontakt geraten, wobei bevorzugt in dem Überlastungsfall der Sensoranordnung ein Kontakt zwischen der weiteren Anschlagstruktur und der ersten Masse ausgebildet wird bevor die erste Masse und/oder die zweite Masse mit einer weiteren Struktur der Sensoranordnung in Kontakt geraten. Entsprechend können die erste und zweite Masse sich jeweils frei bewegen, bis ein Kontakt mit der entsprechenden Anschlagstruktur der anderen Masse hergestellt wird. Somit ist es insbesondere in besonders vorteilhafter Weise denkbar, dass ein Erstkontakt einer der Massen in einem Überlastungsfall mit der Anschlagstruktur der jeweils anderen Masse hergestellt wird, noch bevor ein Kontakt mit einem Stopper des Substrats oder einem Stopper irgendeiner weiteren Struktur erfolgt.
Für das Verfahren zur Verwendung einer mikromechanischen Sensoranordnung können die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensoranordnung oder einer Ausführungsform der mikromechanischen Sensoranordnung erläutert worden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen

1, 2, 3, und 4 schematische Darstellungen von Sensoren gemäß dem Stand der Technik,
5 schematische Darstellungen von Anordnungen von Doppelkernen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung,
6 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
8 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist eine Anordnung eines kapazitiven Beschleunigungssensors mit Detektionsrichtung in eine senkrechte Richtung 110 (z-Richtung), senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2, gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Sensor gemäß 1 ist als „Wippenstruktur“ bzw. „Wippe“ ausgebildet. Das Sensorprinzip dieser Wippen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche asymmetrische seismische Masse 40, welche in 1 in der Funktionsschicht P3 realisiert ist, mit zwei auf dem Substrat im Abstand d₀ fixierten Auswerteelektroden 41, 42, welche in der Schicht P1 realisiert sind, zwei Plattenkondensatoren mit Kapazitäten C1 und C2 bildet. Die seismische Masse 40 ist über mindestens eine Torsionsfeder 45 (aus Symmetriegründen üblicherweise eher zwei Torsionsfedern) über eine Aufhängung 46 mit der Unterlage bzw. dem Substrat 2 verbunden. Da die Massestrukturen auf den beiden Seiten der Torsionsfeder 45 unterschiedlich groß sind, dreht sich die Massestruktur beim Einwirken einer z-Beschleunigung relativ zur Torsionsfeder 45 als Drehachse. Damit wird der Abstand der Auswerteelektroden 41, 42 auf der Seite mit dem größeren Massenanteil kleiner und auf der anderen Seite größer. Die resultierende Kapazitätsänderung, welche typischerweise differentiell als C1 - C2 ausgewertet wird, ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Oftmals weisen die beweglichen Strukturen und Massen Perforationslöcher auf. In allen folgenden Figuren wird aber aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung von Perforationslöchern verzichtet.
Durch steigende Schockbelastungen in verschiedensten Anwendungen bei gleichzeitigem Streben nach Miniaturisierung erhöht sich das Risiko für ein Kleben, bei dem die bewegliche Masse 40 an einem mechanischen Festanschlag hängen bleibt, sobald die Adhäsionskräfte im Anschlag größer sind als die Rückstellkräfte des Feder-Masse-Systems. Solche Anschläge können fest oder federnd oder auch als Kombination eines festen mit einem federnden Anschlag ausgeführt werden.
2 zeigt auf Basis der Struktur aus 1 ein einfaches Beispiel für einen Festanschlag 49, der in Noppenform an der Unterseite der seismischen Masse 40 angeordnet ist und der bei einer starken Auslenkung der Wippe an der P1-Schicht anschlägt, wobei der Anschlagsbereich 50 in der P1-Schicht das gleiche elektrische Potential aufweist wie die bewegliche Struktur. Damit ist sichergestellt, dass keine elektrischen Kurzschlüsse entstehen können und zudem keine großen zusätzlichen elektrischen Kräfte im Anschlagsbereich wirksam sind, die die Aufprallgeschwindigkeit des Sensors und damit das Kleberisiko noch zusätzlich erhöhen könnten. Der Sensor kann unter ungünstigen Umständen im Anschlag kleben bleiben, wenn nämlich die Adhäsionskraft F_a im Noppenanschlag größer als die Rückstellkraft Fr durch die Torsionsfeder(n) 45 ist, oder alternativ über Drehmomente formuliert, wenn das Adhäsionsdrehmoment, also F_a* R_a, größer als das Rückstelldrehmoment M_r = k_t * α ist, wobei R_a den Abstand der Anschlagnoppe 49 von der Torsionsachse, kt die Torsionssteifigkeit der Federn und α den Auslenkwinkel im Zustand des Anschlagens bezeichnet. Der Auslenkwinkel α kann auch über den Grundabstand d₀ und den Noppenabstand von der Torsionsachse R_a mittels α = d_0/R_a ausgedrückt werden. Um Kleben zu verhindern, muss also gelten: $k_{t} d_{0} {/R}_{a} {>F}_{a} R_{a},$
bzw. $k_{t} {> F}_{a} R_{a}^{2} / d_{0} .$
Die Gleichung zeigt, dass es bei gegebener Adhäsionskraft F_a und gegebenem Grundabstand d₀ vorteilhaft ist, die Anschlagsnoppen 49 möglichst nah an der Torsionsachse zu platzieren. Zum einen kann der Drehwinkel dadurch erhöht werden und zum anderen ist der Hebelarm für die Adhäsionskräfte reduziert. Theoretisch führt eine Reduktion des Noppenabstands R_a um einen Faktor 2 also zu einer Reduktion der erforderlichen Torsionssteifigkeit um einen Faktor 4. Dies ist vorteilhaft, da weichere Federn zu höherer mechanischer und elektrischer Empfindlichkeit des Sensors sowie besserer Immunität gegenüber Substratverbiegung führen. In der Praxis können die Anschlagsnoppen 49 jedoch nur so weit zur Torsionsfederachse gezogen werden, dass ein Anschlagen der Wippe an der Außenkante noch sicher verhindert wird, da die Anschlagsnoppen 49 sonst wirkungslos wären; sowohl die Anschlagsfläche der Wippe als auch das Adhäsionsdrehmoment wären deutlich vergrößert, so dass die Klebewahrscheinlichkeit massiv erhöht wäre.
Bei einer Kombination eines federnden Anschlags mit einem Festanschlag wird bei einer starken Auslenkung der seismischen Masse der federnde Anschlag zuerst wirksam, bevor die bewegliche Masse an den Festanschlag stößt. Dadurch wird das Kleberisiko reduziert, da der federnde Anschlag leicht ausgelenkt und dabei eine zusätzliche Rückstellkraft generiert wird. Zudem ist durch die Nachgiebigkeit des Federanschlags der Impulsübertrag durch die seismische Masse reduziert, so dass die Anschlagsoberflächen weniger geschädigt werden. Zum einen wird somit der Abrieb des ASC verringert, zum anderen lässt sich auf diese Weise auch die Bildung von sehr feinen Partikeln, die sich bei häufigem Anschlagen bilden können, reduzieren. 3 zeigt eine Anordnung gemäß der 3 der DE 10 2012 207 939 A1 in geringfügig modifizierter, aber sinngleicher Darstellung. Die federnden Anschläge 61, 62 sind in der Ebene P2 realisiert und wirken hier in Richtung der in der Ebene P1 gebildeten Festelektroden 41, 42 (Bodenelektroden), wobei die Anschlagspunkte 51, 52 (der Schicht P1) auch in diesem Fall potentialfrei gegenüber der beweglichen Masse 40 gehalten werden.
Auch wenn federnde Anschläge bei geeigneter Dimensionierung zu einer effektiven Erhöhung der Rückstellkraft beitragen, bleibt Kleben eine erhebliche Herausforderung für die Qualität von MEMS, insbesondere von Beschleunigungssensoren und gerade auch von z-Beschleunigungssensoren.
Die zwei mikromechanischen Schichten P2, P3 für die bewegliche Struktur bzw. Masse können nicht nur zur Realisierung von federnden Anschlägen eines z-Beschleunigungssensors verwendet werden, sondern werden vor allem zur Steigerung seiner Performance genutzt. Ein entsprechendes Konzept ist in der DE 10 2009 000 167 A1 , insbesondere 8, beschrieben. In 4 ist ein solches Konzept in leicht modifizierter Form dargestellt. Es sind jeweils erste Festelektroden 41 elektrisch miteinander verschaltet und zweite Festelektroden 42 elektrisch miteinander verschaltet. Beispielsweise entsprechen die ersten Festelektroden 41 einer Kapazität C1 und die zweiten Festelektroden 42 einer Kapazität C2. Elektrisch ausgewertet wird das Differenzsignal C1 - C2. Insbesondere können die Topelektroden über Zentralaufhängungen 48 aufgehängt sein. Die Masse 40 kann über eine zentrale Aufhängung 46 aufgehängt sein und sich um die Torsionsachse 47 drehen. Dieser z-Sensor zeigt Vorteile gegenüber Wippenstrukturen, die nur aus einer Silizium-Funktionsschicht P3 und einer Verdrahtungsschicht P1 gebildet wurden. Insbesondere kann eine erhöhte Kapazitätsdichte (also Kapazität/Fläche) erreicht werden, da Boden- (Schicht P1) und Topelektroden (Schicht P3) verwendet werden. Somit kann ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bei gleicher Sensorfläche (oder aber eine reduzierte Sensorfläche bei gleichbleibender Rauschperformance) und eine geringere Anfälligkeit gegenüber Biegestress, da die Topelektroden zentral aufgehängt sind und die Bodenelektroden (aufgrund der durch die Topelektroden gebildeten Zusatzkapazität) etwas kompakter ausgeführt werden können, erreicht werden. Beide Aspekte führen zu geringerem Offset- und Empfindlichkeitsdriften bei Auftreten von Biegestress (z. B. aufgrund von Leiterplattenverbiegung oder thermomechanischem Stress).
Eine weitere Performancesteigerung bzgl. Rauschen und Offset kann erzielt werden, wenn zwei solcher z-Sensorkerne A, B nebeneinander angeordnet werden. Die Sensorkerne können entweder parallel verschoben oder 180° gedreht (und natürlich zusätzlich seitlich verschoben) zueinander angeordnet werden. Die elektrischen Signale werden dann gemeinsam als C_A1 + C_B1 - C_A2 - C_B2 ausgewertet.
Mögliche Anordnungen solcher Doppelwippen sind zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung in der 5 a), b), c) und 5 d) jeweils in einer Aufsicht auf die Schicht P3 gezeigt. Ein Vorteil der Doppelanordnung ist, dass durch die Doppelanordnung die elektrische Empfindlichkeit des Sensors verdoppelt wird. Zudem wird durch statistische Mittelung der beiden Sensorkerne auch das Brownsche Rauschen (verursacht durch statistische Stöße der seismischen Masse mit den Gasteilchen in der Sensorkaverne) um einen Faktor √2 ~ 1.41 reduziert. Beide Effekte führen zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Ein weiterer Vorteil der Doppelanordnung ist, dass die Empfindlichkeit gegenüber mechanischem Stress, der zu einer Verbiegung des Sensorsubstrats und damit zu ungewollten Abstands- und Kapazitätsänderungen an den Auswerteelektroden führt, deutlich reduziert werden kann, da sich je nach Deformationsfeld bei geschickter Kernanordnung die resultierenden Kapazitätsänderungen an den Auswerteelektroden ganz oder zumindest teilweise kompensieren können. Dies führt zu einer Verbesserung der Offsetstabilität. Hierzu eignen sich beispielsweise die Anordnungen, bei denen die Sensorkerne um 180° gedreht zueinander angeordnet sind (5 b)). Ferner können auch parasitäre Wippenauslenkungen, die durch laterale Temperaturgradienten im Chip verursacht werden und die bei einer Einzelwippe zu Offsetsignalen führen würden, durch geschickte Anordnungen von zwei Kernen kompensiert werden. Auch hierzu eignen sich insbesondere die Anordnungen, bei denen die beiden Sensorkerne zueinander um 180° gedreht angeordnet sind (5 b)).
In 6 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der Sensoranordnung 1 handelt es sich insbesondere um einen z-Beschleunigungssensor, also einen Beschleunigungssensor zur Erfassung von Beschleunigungen in eine senkrechte Richtung 110, senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2 der Sensoranordnung 1. Die Sensoranordnung 1 umfasst eine erste Masse 10 und eine zweite Masse 20, die jeweils als Wippenstrukturen ausgebildet sind und somit zumindest teilweise beweglich in die senkrechte Richtung 110, senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2, sind. Die erste Masse 10 ist dabei über eine Torsionsfeder 45' und eine Aufhängung 46' aufgehangen. Die zweite Masse ist über eine weitere Torsionsfeder 45" und eine weitere Aufhängung 46" aufgehangen. Die erste Masse 10 umfasst eine Anschlagstruktur 11 und die zweite Masse 20 umfasst eine Anschlagstruktur 21. Die Anschlagstruktur 11 bildet in die senkrechte Richtung 110 einen Überlapp mit der zweiten Masse 20. Die weitere Anschlagstruktur 21 bildet in die senkrechte Richtung 110 einen Überlapp mit der ersten Masse 10. Die beiden Sensorkerne bzw. Massen 10, 20 sind relativ zueinander um 180° gedreht, wie auch bei dem in 5 b) dargestellten Sensor der Fall.
In 6 a) sind zusätzlich zur 5 b) auch die in der P2-Ebene realisierten beweglichen Strukturen der Wippen bzw. Massen 10, 20 dargestellt. In 6 b) sind aus Gründen der Übersichtlichkeit hingegen ausschließlich die in der Schicht P2 realisierten Bereiche der beweglichen Massen 10, 20 dargestellt. Die Anschlagstrukturen 11, 21 sind bevorzugt jeweils als Teil der Massen 10 bzw. 20 ausgebildet und lediglich aus Darstellungsgründen hervorgehoben. Die Anschlagstruktur 11 ist an den ersten Sensorkern bzw. die erste Masse 10 an den Anbindungen 12', 12" angebunden. Das freie Ende der Anschlagstruktur 11 (bzw. die freien Enden) ragt in den Bereich des benachbarten weiteren Sensorkerns der zweiten Masse 20 hinein. Die Anschlagstruktur 11 umfasst in der dargestellten Ausführungsform zwei federnd ausgebildete Balken 11', 11" bzw. Anschlagsfedern 11', 11", wobei jeweils einer der Balken 11', 11" in der Aufsicht oberhalb und einer unterhalb der Torsionsfederachse der Torsionsfeder 45' angeordnet ist (6 a)). Die weitere Anschlagstruktur 21 ist an den zweiten Sensorkern bzw. die zweite Masse 20 an den Anbindungen 22', 22" angebunden. Das freie Ende der weiteren Anschlagstruktur 21 (bzw. die freien Enden) ragt in den Bereich des benachbarten Sensorkerns der ersten Masse 10 hinein. Die weitere Anschlagstruktur 21 umfasst in der dargestellten Ausführungsform zwei federnd ausgebildete Balken 21', 21" bzw. Anschlagsfedern 21', 21", wobei jeweils einer der Balken 21', 21" in der Aufsicht oberhalb und einer unterhalb der Torsionsfederachse der weiteren Torsionsfeder 45" angeordnet ist (6 a)).
Die 6 c) und 6 d) zeigen zwei Querschnitte. Hierbei zeigt 6 c) den Querschnitt entlang der Schnittebenen C - D der 6 a) und 6 d) den Querschnitt entlang der Schnittebene E - F der 6 a).
Das Substrat 2 des Sensors und die P1-Ebene sind aus Darstellungsgründen jeweils nicht gezeigt. Entsprechend sind jeweils nur die Schicht P2 und die Schicht P3 dargestellt.
In 6 c) ist gezeigt, dass die weitere Anschlagstruktur 21 (bzw. eine Anschlagsfeder 21' der weiteren Anschlagstruktur 21,) welche an der zweiten Masse 20 angebunden ist, in den Bereich der ersten Masse 10 bzw. des ersten Sensorkerns hineinragt. Die weitere Anschlagstruktur 21 ist dabei in die senkrechte Richtung 110 teilweise zwischen der ersten Masse 10 und dem nicht dargestellten Substrat 2 angeordnet. Somit ist ein weiterer Überlapp der weiteren Anschlagstruktur 21 mit der ersten Masse 10 in die senkrechte Richtung 110 ausgebildet. Entsprechend ergibt sich bei einer Aufsicht auf die Haupterstreckungsebene 100 ein Überlappungsbereich 15 zwischen der weiteren Anschlagstruktur 21 und der ersten Masse 10. Durch den Überlappungsbereich 15 kann es bei hinreichend großen vertikalen Relativbewegungen (beispielswiese bei einem Überlastungsereignis) zum Berühren der ersten Masse 10 an der Anschlagsfeder 21' der zweiten Masse 20 kommen.
In 6 c) ist gezeigt, dass die Anschlagstruktur 11 (bzw. eine Anschlagsfeder 11' der Anschlagstruktur 11), welche an der ersten Masse 10 angebunden ist, in den Bereich der zweiten Masse 20 bzw. des zweiten Sensorkerns hineinragt. Die Anschlagstruktur 11 ist dabei in die senkrechte Richtung 110 teilweise zwischen der zweiten Masse 20 und dem nicht dargestellten Substrat 2 angeordnet. Somit ist ein Überlapp der Anschlagstruktur 11 mit der zweiten Masse 20 in die senkrechte Richtung 110 ausgebildet. Entsprechend ergibt sich bei einer Aufsicht auf die Haupterstreckungsebene 100 ein Überlappungsbereich 14 zwischen der Anschlagstruktur 11 und der zweiten Masse 20. Durch den Überlappungsbereich 14 kann es bei hinreichend großen vertikalen Relativbewegungen in die Gegenrichtung zum Berühren der zweiten Masse 20 an der Anschlagsfeder 11' der ersten Masse 10 kommen.
Durch die bei der in 6 dargestellte um 180° gegeneinander gedrehte Anordnung der Massen 10, 20 wird es bei einer z-Beschleunigung zu einer gegenphasigen Bewegung der beiden Wippen bzw. Massen 10, 20 kommen. Die Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" sind so platziert, dass innerhalb des normalen Messbereichs des Sensors (Kleinsignalbereich) keine Berührung der beiden Massen 10, 20 an den Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" erfolgt. Die Massen 10, 20 bewegen sich dann also völlig unabhängig voneinander. Bei Überlast, also großer z-Beschleunigung jenseits des Messbereichs, kann es dagegen zu einer Berührung der beiden Massen 10, 20 an mindestens einer der Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" kommen, und zwar kurz bevor die Wippenenden der Massen 10, 20 oder eine möglicherweise zusätzlich vorhandene Anschlagsnoppe mit der Ebene P1 in Berührung kommt. Durch die erfindungsgemäßen Anschlagstrukturen 11, 21 (in dieser Ausführungsform durch die Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21") sind im Falle der Berührung in vorteilhafter Weise die Rückstellmomente der Torsionsfedern 45', 45" beider Wippen bzw. Massen 10, 20 wirksam. Da sich die Wippen relativ zueinander bewegen, also die Relativwinkelauslenkung doppelt so hoch ist wie die Winkelauslenkung jeder einzelnen Wippe, kann der Anschlagsabstand von der Torsionsachse (R_a) deutlich kleiner gewählt werden als bei einer Standardwippe. Wie bereits dargestellt, kann eine Reduktion des Anschlagsabstands von der Torsionsachse entscheidend zur Reduktion des Kleberisikos beitragen.
In Summe kann somit eine deutliche Erhöhung der Robustheit gegen Überlast, insbesondere auch gegenüber wiederholter Überlast („repetitive shock robustness“), erreicht werden.
Durch die Anordnung von mindestens jeweils einer Anschlagsfeder 11', 11", 21', 21" pro Sensorkern, welche jeweils in den benachbarten Kern hineinragen, kann ferner der Vorteil erzielt werden, dass die Berührung zwischen beiden Sensoren sowohl bei Überlast in +z- als auch in -z-Richtung (also sowohl bei Überlast in die senkrechte Richtung 110 als auch entgegengesetzt der senkrechten Richtung 110) erfolgen kann.
In der in 6 dargestellten Ausführungsform weist jede der Massen 10, 20 zwei überlappende Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" auf, jeweils eine (in der Aufsicht) oberhalb und unterhalb der Torsionsfederachse. Es ist alternativ jedoch auch denkbar, dass die Anschlagstrukturen 11, 21 der Massen 10, 20 jeweils derart ausgebildet sind, dass sie jeweils nur eine Anschlagsfeder 11', 21' aufweisen. Alternativ sind auch weitere zusätzliche Anschlagsfedern oder andere geometrische Ausbildungen der Anschlagstrukturen 11, 21 denkbar. Es sind beispielsweise alternativ oder zusätzlich auch starre, nicht-federnde Anschlagstrukturen 11, 21 denkbar.
In 7 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Anordnung gemäß 7 geht von der Grundanordnung der 5 d) aus. Auch in diesem Fall sind die Massen 10, 20 bzw. Wippen um 180° gegeneinander gedreht, jedoch bei dieser Ausführungsform nun senkrecht zur ihren Torsionsfederachsen der Torsionsfedern 45', 45" lateral verschoben, so dass sich die schweren Wippenseiten der Massen 10, 20 direkt gegenüberliegen. Auch in diesem Fall sind überlappende Anschlagstrukturen 11, 21, insbesondere Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21", realisiert. Die Funktion ist allerdings anders als bei der in 6 gezeigten Ausführungsform.
Insbesondere umfasst die erste Masse 10 eine Anschlagstruktur 11, welche zwei Anschlagsfedern 11', 11" aufweist, die jeweils (in einer Aufsicht auf die Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2) einen Überlapp mit der zweiten Masse 20 aufweisen. Die zweite Masse 20 umfasst eine weitere Anschlagstruktur 21, welche zwei weitere Anschlagsfedern 21', 21" aufweist, die jeweils (in der Aufsicht) einen Überlapp mit der ersten Masse 10 aufweisen (7 a)). Aus Übersichtlichkeitsgründen zeigt 7 b) nur die in der Schicht P2 realisierten Bereiche der beweglichen Massen 10, 20 in einer Aufsicht. Die 7 c) und 7 d) zeigen Querschnitte entlang der Schnittebenen G - H (7 c)) bzw. I - J (7 d)).
Bei der Ausführungsform gemäß 7 bewegen sich die beiden wippenden Massen 10, 20 beim Auftreten von z-Beschleunigungen gleichphasig. Es kommt daher theoretisch selbst bei Überlast zu keiner Relativbewegung und somit auch zu keiner Berührung der beiden Massen 10, 20. Beide Massen 10, 20 können gemäß dem Stand der Technik bekannte eigene zusätzliche Anschläge bzw. eigene zusätzliche Anschlagsnoppen und/oder federnde Anschläge innerhalb des jeweils eigenen Sensorkerns aufweisen (nicht dargestellt). Falls es an einem dieser Anschläge zum Kleben eines der Sensorkerne bzw. Massen 10, 20 kommt, wird der andere Sensorkern nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit ebenfalls in den Klebezustand geraten, da das Kleben ein Phänomen mit einer stark statistischen Komponente ist. Die nicht klebende Masse 10, 20 wird daher nach dem Überlastevent in die Ruhelage zurückschwingen. Dabei kann es je nach Dimensionierung der überlappenden Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" bereits zu einer Berührung der beiden Massen 10, 20 an einem oder mehreren der Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" kommen, so dass die Torsionsfeder 45', 45" der nicht klebenden Masse 10, 20 eine zusätzliche Rückstellkraft für die klebende Masse 10, 20 bereitstellt und daher eine erhöhte Wahrscheinlichkeit besteht, dass die klebende Masse 10, 20 wieder frei beweglich wird. Selbst wenn die Dimensionierung der überlappenden Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" so ist, dass beim reinen Zurückschwingen in die Ruhelage noch keine Berührung zwischen den Massen 10, 20 erfolgt, so kann bei einem nachfolgenden Überlastevent die nichtklebende Masse 10, 20 in die Gegenrichtung auslenken. Spätestens dabei kommt es an einer oder mehreren der überlappenden Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" so zur Berührung zwischen den Massen 10, 20. Die nicht klebende Masse 10, 20 kann also bei einem nachfolgenden Stoß die klebende Masse 10, 20 durch den kurzzeitigen, aber sehr starken Impulsübertrag wieder losschlagen und aus dem Klebezustand befreien. In diesem Fall dient die Anordnung also weniger der Verhinderung des Klebens einer Einzelwippe, sondern dem Wiederlosschlagen oder -rütteln nach Auftreten eines Klebeevents.
Die Massen 10, 20 werden bei den Anordnungen der 6 und 7 durch die überlappenden Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" nahezu nicht verändert, so dass sowohl das statische (Offset, Empfindlichkeit) als auch das dynamische Verhalten (Frequenz, Dämpfung) des Sensors nicht nennenswert beeinflusst wird. Die überlappenden Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21" haben also nur bei Überlast den beschriebenen vorteilhaften Einfluss auf die Robustheit des Sensors und beeinflussen das freie Schwingverhalten nahezu nicht.
In den Ausführungsformen der 6 und 7 sind die Massen 10, 20 jeweils als Wippen ausgebildet. Die Massen 10, 20 können erfindungsgemäß jedoch alternativ auch andere Ausgestaltungen haben. Anschlagstrukturen 11, 21 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich nicht nur für z-Wippen, sondern beispielsweise auch für trampolinartige z-Beschleunigungssensoren, welche als Doppelkerne realisiert werden, verwenden. In einer solchen Ausführungsform sind die Massen 10, 20 dabei beispielsweise jeweils trampolinartig ausgebildet. Trampolinartige z-Beschleunigungssensoren führen eine rein translatorische z-Bewegung in die senkrechte Richtung 110 aus. In einem einfachen Beispielsfall bewegen sich bei einer Doppelkernanordnung die trampolinartigen Massen 10, 20 der beiden Einzelkerne gleichphasig, so dass die Funktion der Anschlagstrukturen 11, 21 (beispielsweise umfassend überlappende Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21") der Funktion gemäß 7 entspricht. In diesem Fall erfolgt der Kontakt an den Anschlagstrukturen 11, 21 also typischerweise auch erst, nachdem eine der Massen 10, 20 an einen Anschlag innerhalb der eigenen Sensorkernfläche stößt und möglicherweise in einen Klebezustand geraten ist. Die noch bewegliche Masse 10, 20 kann dann insbesondere bei einem nachfolgenden Schock-Event die klebende Masse 10, 20 wieder losschlagen.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 6 und 7 sind die Anschlagstrukturen 11, 21 jeweils in der Schicht P2 ausgebildet. Es ist alternativ jedoch auch denkbar, die Anschlagstrukturen 11, 21 in der Schicht P3 zu realisieren oder teilweise in der Schicht P2 und teilweise in der Schicht P3.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 6 und 7 umfassen Anschlagstrukturen 11, 21 jeweils Anschlagsfedern 11', 11", 21', 21". Es ist alternativ jedoch auch denkbar, dass die Anschlagstrukturen 11, 21 sehr steif bzw. starr, also nicht-federnd ausgeführt sind. Dabei ist allerdings auf die mechanische Robustheit zu achten. Insbesondere in der vergleichsweise dünnen Schicht P2 realisierte überlappende Anschlagstrukturen 11, 21 könnten ansonsten bei hoher Überlast von den steifen P3-Strukturen abgeschlagen werden.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 6 und 7 sind keine Kontaktelemente 70, insbesondere Vorsprünge bzw. Anschlagsnoppen, an der Unterseite der Massen 10, 20 in der Schicht P3 im Kontaktbereich mit den Anschlagstrukturen 11, 21 dargestellt. Es ist jedoch denkbar, dass derartige zusätzliche Kontaktelemente 70 an der Unterseite der Massen 10, 20 realisiert werden. Hierfür kann beispielswiese in der Prozessierung (eine Zusatzebene) realisiert werden. Mithilfe solcher zusätzlichen Kontaktelemente 70 kann die Kontaktfläche im Anschlag sehr klein und definiert gehalten werden. Eine entsprechende Anordnung ist beispielhaft in 8 (basierend auf der Anordnung gemäß 7 d)) dargestellt. Das dargestellte weitere Kontaktelement 70 ist dabei an der ersten Masse 10 angeordnet. In oder nach einem Überlastungsfall der Sensoranordnung wird ein Kontakt zwischen der ersten Masse 10 und der zweiten Masse 20 über das weitere Kontaktelement 70 und die weitere Anschlagstruktur 21 hergestellt. Zusätzlich oder alternativ kann an der zweiten Masse 20 ein Kontaktelement angeordnet sein, welches bei oder nach einem Überlastungsfall mit der Anschlagstruktur 11 in Kontakt kommt (nicht dargestellt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0244581 [0003]
EP 0773443 B1 [0003]
DE 102008043753 A1 [0008]
EP 3111232 B1 [0008]
DE 102012207939 A1 [0008, 0038]
DE 102009000167 A1 [0040]

Claims

Mikromechanische Sensoranordnung (1), insbesondere Beschleunigungssensor, mit einem eine Haupterstreckungsebene (100) aufweisenden Substrat (2), wobei die Sensoranordnung (1) eine erste Masse (10) und eine zweite Masse (20) umfasst, wobei die erste und zweite Masse (10, 20) jeweils zumindest teilweise beweglich in eine senkrechte Richtung (110), senkrecht zur Haupterstreckungsebene (100) des Substrats (2), ausgebildet sind, wobei die erste Masse (10) eine Anschlagstruktur (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagstruktur (11) in die senkrechte Richtung (110) einen Überlapp mit der zweiten Masse (20) aufweist.
Mikromechanische Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlapp der Anschlagstruktur (11) mit der zweiten Masse (20) in die senkrechte Richtung (110) dadurch ausgebildet ist, dass die Anschlagstruktur (11) in die senkrechte Richtung (110) zumindest teilweise zwischen der zweiten Masse (20) und dem Substrat (2) angeordnet ist.
Mikromechanische Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Masse (20) eine weitere Anschlagstruktur (21) aufweist, wobei die weitere Anschlagstruktur (21) in die senkrechte Richtung (110) einen weiteren Überlapp mit der ersten Masse (10) aufweist.
Mikromechanische Sensoranordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Überlapp der weiteren Anschlagstruktur (21) mit der ersten Masse (10) in die senkrechte Richtung (110) dadurch ausgebildet ist, dass die weitere Anschlagstruktur (21) in die senkrechte Richtung (110) zumindest teilweise zwischen der ersten Masse (10) und dem Substrat (2) angeordnet ist.
Mikromechanische Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) derart ausgebildet ist, dass in einem Überlastungsfall der Sensoranordnung (1) ein Kontakt zwischen der Anschlagstruktur (11) und der zweiten Masse (20) ausgebildet wird, wobei die Sensoranordnung (1) bevorzugt derart ausgebildet ist, dass in dem Überlastungsfall der Sensoranordnung (1) ein Kontakt zwischen der weiteren Anschlagstruktur (21) und der ersten Masse (10) ausgebildet wird.
Mikromechanische Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagstruktur (11) federnd ausgebildet ist, wobei bevorzugt die weitere Anschlagstruktur (21) federnd ausgebildet ist.
Mikromechanische Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Masse (20) ein Kontaktelement, insbesondere einen Vorsprung, aufweist, wobei das Kontaktelement derart angeordnet ist, dass in und/oder nach einem Überlastungsfall der Sensoranordnung (1) ein Kontakt zwischen der ersten Masse (10) und der zweiten Masse (20) über das Kontaktelement und die Anschlagstruktur (11) hergestellt wird, wobei bevorzugt die erste Masse (10) ein weiteres Kontaktelement (70), insbesondere einen weiteren Vorsprung, aufweist, wobei das weitere Kontaktelement (70) derart angeordnet ist, dass in und/oder nach einem Überlastungsfall der Sensoranordnung (1) ein Kontakt zwischen der ersten Masse (10) und der zweiten Masse (20) über das weitere Kontaktelement (70) und die weitere Anschlagstruktur (21) hergestellt wird.
Verfahren zur Verwendung einer mikromechanischen Sensoranordnung (1) zur Messung einer Messgröße, insbesondere eines Beschleunigungssensors zur Messung einer Beschleunigung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Überlastungsfall der Sensoranordnung (1) ein Kontakt zwischen der Anschlagstruktur (11) und der zweiten Masse (20) ausgebildet wird, wobei bevorzugt in dem Überlastungsfall der Sensoranordnung (1) ein Kontakt zwischen der weiteren Anschlagstruktur (21) und der ersten Masse (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Überlastungsfall der Sensoranordnung (1) ein Kontakt zwischen der Anschlagstruktur (11) und der zweiten Masse (20) ausgebildet wird bevor die zweite Masse (20) und/oder die erste Masse (10) mit einer weiteren Struktur der Sensoranordnung (1) in Kontakt geraten, wobei bevorzugt in dem Überlastungsfall der Sensoranordnung (1) ein Kontakt zwischen der weiteren Anschlagstruktur (21) und der ersten Masse (10) ausgebildet wird bevor die erste Masse (10) und/oder die zweite Masse (20) mit einer weiteren Struktur der Sensoranordnung (1) in Kontakt geraten.