DE102020210121A1

DE102020210121A1 - Mikromechanisches System, Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Systems

Info

Publication number: DE102020210121A1
Application number: DE102020210121.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Torsten Ohms; Holger Rumpf; Joerg Braeuer; Lars Tebje; Christof Schwenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2022-02-17
Also published as: US20220049958A1

Abstract

Es wird ein mikromechanisches System beansprucht, umfassend eine beweglich aufgehängte Masse, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische System eine Dämpfungsanordnung umfasst, wobei die Dämpfungsanordnung eine beweglich aufgehängte Dämpfungsstruktur aufweist, wobei die Dämpfungsstruktur durch Anlegen einer elektrischen Spannung auslenkbar ist, wobei die Dämpfungsstruktur derart ausgebildet ist, dass mithilfe einer Auslenkung der Dämpfungsstruktur ein Frequenzverhalten und/oder eine Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse veränderbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mikromechanische Systeme sind beispielsweise als Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten weit verbreitet und werden in vielen Bereichen der Technik, etwa in Mobiltelefonen oder Automobilen, zur Erkennung eines Bewegungszustands eingesetzt. Dabei ist häufig eine gezielte Einstellung des Frequenzverhaltens, insbesondere der Eigenfrequenz und Güte bzw. Dämpfung, erforderlich, um den Sensor an die jeweilige Applikation anzupassen. Beispielsweise muss ein Beschleunigungssensor, der im Automobilbereich zur Auslösung eines Airbags verwendet wird, in der Regel eine überkritische Dämpfung aufweisen, so dass ein eventuelles Nachschwingen des Sensors nach Eintreffen des eigentlichen Schocks verhindert wird, um eine Verfälschung des Messsignals zu vermeiden.
Stand der Technik ist dabei eine einmalige Abstimmung des Sensors zur Einstellung eines bestimmten Frequenzverhaltens, die häufig bereits durch das Design des Sensors bei der Fertigung festgelegt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikromechanisches System bereitzustellen, wobei ein Verhalten einer beweglich aufgehängten Masse des Sensors vorteilhaft und insbesondere flexibel angepasst werden kann.
Das erfindungsgemäße mikromechanische System gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine verbesserte und flexible Anpassung eines Frequenzverhaltens und/oder der Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse vorgenommen werden kann. Das Frequenzverhalten der beweglich aufgehängten Masse ist insbesondere derart veränderbar, dass sich in Abhängigkeit der Auslenkung der Dämpfungsstruktur eine Dämpfung einer Schwingung der beweglich aufgehängten Masse und/oder eine Frequenz einer Schwingung der beweglich aufgehängten Masse ändert.
Es ist erfindungsgemäß möglich, dass die Dämpfungsstruktur durch Anlegen der elektrischen Spannung relativ zum Substrat ausgelenkt wird und somit auch ihre Position relativ zur beweglich aufgehängten Masse (insbesondere bezüglich der Ruhelage der beweglich aufgehängten Masse) verändert. Hierdurch ändert sich eine elektrostatische Krafteinwirkung der Dämpfungsstruktur auf die beweglich aufgehängte Masse, was das Frequenzverhalten und/oder die Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse verändert. Insbesondere kann die Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse somit durch die Auslenkung bzw. Verschiebung der Dämpfungsstruktur aus einer Ruhelage der Dämpfungsstruktur erhöht werden.
Bei dem mikromechanischen System kann es sich insbesondere um ein mikroelektromechanisches System (MEMS), insbesondere einen Sensor und/oder Aktor, handeln. Vorzugsweise ist es denkbar, dass das mikromechanische System einen Beschleunigungssensor und/oder Drehratensensor umfasst. Erfindungsgemäß ist es somit vorzugsweise möglich, das Frequenzverhalten eines Sensors mittels beweglicher Dämpfungselektroden (bzw. der Dämpfungsstruktur) zu verändern. Dies kann unter anderem zur Anpassung des Frequenzverhaltens an bestimmte Applikationen verwendet werden oder dem Ausgleich von alterungsbedingten Veränderungen des Frequenzverhaltens dienen. Insbesondere ist erfindungsgemäß auch ein Anpassen einer Frequenz und/oder Dämpfung in der Applikation des Sensors, also nach einer Herstellung und/oder nach einem Einbau des Sensors in ein Produkt, durch Anlegen einer externen Spannung möglich.
Erfindungsgemäß sind somit elektrostatisch bewegliche Dämpfungsstrukturen denkbar, die auf eine die mechanische Übertragungsfunktion verändernde Art und Weise an die zur Bewegungsdetektion verwendeten seismischen Massen, angekoppelt sind. Damit lässt sich mittels extern steuerbarer elektrischer Spannungen das Frequenzverhalten des Sensors einstellen bzw. korrigieren, was für viele Applikationen, bei denen es auf ein definiertes Frequenzverhalten der eingesetzten Sensoren ankommt (wie beispielsweise Airbagauslösung, Stabilitätskontrolle oder Körperschalldetektion) von Vorteil ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die beweglich aufgehängte Masse eine Elektrodenstruktur umfasst, wobei die Elektrodenstruktur derart eingerichtet ist, dass sich bei der Auslenkung der Dämpfungsstruktur eine Dämpfungskraft zwischen der Elektrodenstruktur und der Dämpfungsstruktur ändert, sodass sich mithilfe der Auslenkung der Dämpfungsstruktur das Frequenzverhalten und/oder die Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse verändert, ist es vorteilhafterweise möglich, dass die Dämpfungsstruktur durch Anlegen der elektrischen Spannung relativ zum Substrat und/oder zur beweglich aufgehängten Masse ausgelenkt werden kann. Durch die Änderung der Position der Dämpfungsstruktur relativ zur beweglich aufgehängten Masse ändert sich eine Kraftwirkung zwischen der Dämpfungsstruktur und der Masse. Durch diese veränderte Kraftwirkung wird das Frequenzverhalten und/oder die Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse (bzw. einer Schwingung der Masse) verändert, insbesondere erhöht. Somit kann das Frequenzverhalten und/oder die Dämpfung in vorteilhafter Weise variiert und eingestellt werden.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Dämpfungsanordnung eine Kontrollelektrodenstruktur umfasst, wobei die Dämpfungsstruktur durch Anlegen der Spannung an der Kontrollelektrodenstruktur und/oder Dämpfungsstruktur auslenkbar ist, ist es möglich, eine kontrollierbare Auslenkung der Dämpfungsstruktur durch eine elektrostatische Kraft zwischen der Kontrollelektrodenstruktur und der Dämpfungsstruktur zu ermöglichen, was eine vorteilhafte präzise Einstellung des Frequenzverhaltens und/oder der Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse ermöglicht. Die Kontrollelektrodenstruktur ist insbesondere fest und unbeweglich mit dem Substrat verbunden. Durch Anlagen der Spannung U kann somit die Dämpfungsstruktur aus ihrer Ruhelage (für U = 0 V) ausgelenkt werden. Es ist bevorzugt, dass die Spannung U an der Kontrollelektrodenstruktur angelegt wird, wobei die Dämpfungsstruktur und die Elektrodenstruktur besonders bevorzugt auf dem gleichen Potential gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Dämpfungsstruktur mithilfe einer oder mehrere Federstrukturen aufgehängt ist. Die Federstrukturen ermöglichen eine vorteilhafte Auslenkung der Dämpfungsstruktur relativ zum Substrat.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Dämpfungsstruktur einen Dämpfungsfinger, insbesondere eine Gruppe von Dämpfungsfingern, umfasst, wobei die Elektrodenstruktur einen Elektrodenfinger, insbesondere eine Gruppe von Elektrodenfingern umfasst, ist es möglich, Plattenkondensator- und/oder Kammstrukturen zu verwenden, die vorteilhaft hergestellt werden können. Die Gruppe von Dämpfungsfingern und die Gruppe von Elektrodenfingern greifen vorzugsweise ineinander. Es ist vorzugsweise denkbar, dass die Dämpfungsfinger der Gruppe von Dämpfungsfingern (oder zumindest die jeweiligen Hauptkörper der Dämpfungsfinger der Gruppe von Dämpfungsfingern) und/oder die Elektrodenfinger der Gruppe von Elektrodenfingern jeweils balkenförmig ausgebildet sind. Gemäß einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass sich der Dämpfungsfinger oder zumindest der Hauptkörper des Dämpfungsfingers parallel zu dem Elektrodenfinger erstrecket, wobei sich vorzugsweise die Dämpfungsfinger der Gruppe von Dämpfungsfingern oder zumindest die jeweiligen Hauptkörper der Dämpfungsfinger der Gruppe von Dämpfungsfingern parallel zu den Elektrodenfingern der Gruppe von Elektrodenfingern erstrecken. Es ist dementsprechend möglich, dass Platten- und/oder Kammanordnungen von Elektroden für die Dämpfungsstruktur zur Anwendung kommen, die sich entweder kontinuierlich oder abrupt bzw. bimodal in ihrer Position verändern lassen.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Gruppe von Dämpfungsfingern einen weiteren Dämpfungsfinger umfasst, wobei die Kontrollelektrodenstruktur eine Kontrollelektrode umfasst, wobei die Kontrollelektrode zwischen dem Dämpfungsfinger und dem weiteren Dämpfungsfinger angeordnet ist, ist es möglich, dass Finger- bzw. Kammstrukturen zur Anwendung kommen, um eine Auslenkung der Dämpfungsstruktur zu ermöglichen. Der Dämpfungsfinger und der weitere Dämpfungsfinger sind vorzugsweise benachbarte Dämpfungsfinger. Die Kontrollelektrode ist bevorzugt in Schwingungsrichtung der beweglich aufgehängten Masse zwischen dem Dämpfungsfinger und dem weiteren Dämpfungsfinger angeordnet. Die Kontrollelektrode ist vorzugsweise balkenförmig ausgebildet.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Abstand zwischen dem Dämpfungsfinger und der Kontrollelektrode kleiner ist als ein weiterer Abstand zwischen dem weiteren Dämpfungsfinger und der Kontrollelektrode, ist es möglich, dass die Kontrollelektrode asymmetrisch zwischen den beiden Dämpfungsfingern angeordnet ist. Beim Anlegen einer Spannung U dominiert die Kraft zwischen dem Dämpfungsfinger und der Kontrollelektrode gegenüber der Kraft zwischen dem weiteren Dämpfungsfinger und der Kontrollelektrode, sodass die Dämpfungsstruktur in eine Richtung ausgelenkt wird. Hierdurch wird eine Auslenkung der Dämpfungsstruktur aus ihrer Ruheposition durch Anlegen einer elektrischen Spannung U besonders vorteilhaft ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass sich die Kontrollelektrode parallel zu dem Dämpfungsfinger erstreckt, oder dass sich die Kontrollelektrode senkrecht zu dem Dämpfungsfinger und/oder senkrecht zu einem Hauptkörper des Dämpfungsfingers erstreckt, wobei der Dämpfungsfinger vorzugsweise eine oder mehrere Fingerstrukturen aufweist, die sich besonders bevorzugt parallel zu der Kontrollelektrode erstrecken. Die Kontrollelektrode ist gemäß einer Ausgestaltung somit insbesondere parallel zu dem Dämpfungsfinger ausgerichtet und angeordnet und von diesem beabstandet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist die Kontrollelektrode senkrecht zu dem Dämpfungsfinger und/oder senkrecht zu einem Hauptkörper des Dämpfungsfingers angeordnet und ausgerichtet. Der Dämpfungsfinger umfasst bei dieser alternativen Ausgestaltung bevorzugt eine oder mehrere Fingerstrukturen, die sich senkrecht vom Hauptkörper des Dämpfungsfingers aus erstrecken und somit parallel zu der Kontrollelektrode ausgebildet sind. Die Kontrollelektrode ist insbesondere zwischen zwei der Fingerstrukturen angeordnet und von diesen jeweils beabstandet ausgebildet.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Elektrodenfinger zwischen dem Dämpfungsfinger und dem weiteren Dämpfungsfinger angeordnet ist, wobei ein Fingerabstand zwischen dem Elektrodenfinger und dem Dämpfungsfinger kleiner oder gleich groß oder größer ist als der Abstand zwischen dem Dämpfungsfinger und der Kontrollelektrode, ist es möglich, sowohl jeweils mindestens einen Elektrodenfinger der beweglich aufgehängten Masse als auch mindestens eine Kontrollelektrode im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Dämpfungsfingern anzuordnen. Somit ist eine besonders platzsparende Anordnung möglich.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das mikromechanische System eine Stoppervorrichtung umfasst, wobei mithilfe der Stoppervorrichtung die Auslenkung der Dämpfungsstruktur begrenzbar ist, ist es möglich, dass die Dämpfungsstruktur maximal soweit ausgelenkt wird, bis sie auf die Stoppervorrichtung trifft bzw. mit dieser in Kontakt kommt. Eine weitere Auslenkung wird dann durch die Stoppervorrichtung mechanisch verhindert. Hierfür kann die Dämpfungsstruktur vorzugsweise einen Vorsprung oder einen Finger aufweisen, der bei einer Auslenkung der Dämpfungsstruktur mit der Stoppervorrichtung in Kontakt kommt, um eine definierte Aufprallfläche zu realisieren.
Mithilfe der Stoppervorrichtung ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine bimodale Funktion der Dämpfungsstruktur denkbar. Die Dämpfungsstruktur kann dabei zwischen einem ersten nicht ausgelenkten Zustand, indem sie in ihrer Ruhelage ist und keine elektrische Spannung U angelegt ist, und einem zweiten ausgelenkten Zustand, in dem eine elektrische Spannung U angelegt ist und die Dämpfungsstruktur soweit ausgelenkt ist, dass sie mit der Stoppervorrichtung in Kontakt ist, geschaltet werden. Die Stoppervorrichtung ist insbesondere fest und unbeweglich mit dem Substrat verbunden.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das mikromechanische System eine weitere Dämpfungsanordnung umfasst, wobei die weitere Dämpfungsanordnung eine weitere Dämpfungsstruktur umfasst, wobei die weitere Dämpfungsstruktur derart ausgebildet ist, dass mithilfe einer Auslenkung der weiteren Dämpfungsstruktur das Frequenzverhalten und/oder die Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse veränderbar ist, wobei die weitere Dämpfungsstruktur durch Anlegen der elektrischen Spannung bevorzugt entgegengesetzt zur Dämpfungsstruktur auslenkbar ist, wobei die weitere Dämpfungsanordnung besonders bevorzugt spiegelsymmetrisch zur Dämpfungsanordnung ausgebildet ist, ist es vorteilhafterweise möglich, dass sich bei einer Bewegung der Masse in Schwingungsrichtung und entgegengesetzt zur Schwingungsrichtung aus Symmetriegründen die gleiche Dämpfung ergibt. Somit kann ein verbessertes Schwingverhalten der Masse erreicht werden.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Dämpfungsstruktur und die Kontrollelektrodenstruktur beidseitig um einen Kammrücken der Dämpfungsstruktur ausgebildet sind, ist es möglich, in vorteilhafter Weise zu verhindern, dass ungewünschte Drehmomente entstehen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Dämpfungsstruktur durch Anlegen einer elektrischen Spannung ausgelenkt wird, wobei mithilfe der Auslenkung der Dämpfungsstruktur ein Frequenzverhalten und/oder eine Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse verändert wird.
Für das Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Systems können dabei die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen System oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanisches Systems beschreiben worden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste

1 und 2 zeigen schematische Darstellungen eines mikromechanischen Systems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Systems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 und 5 zeigen schematische Darstellungen eines mikromechanischen Systems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 und 7 zeigen schematische Darstellungen eines mikromechanischen Systems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Systems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Systems gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
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.
In den 1 und 2 sind schematische Darstellungen eines mikromechanischen Systems 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht gezeigt. Hierbei zeigt 1 die Dämpfungsstruktur 3 in einem Ruhezustand (und das mikromechanische System 100 somit in einem Zustand geringer Dämpfung) und 2 die Dämpfungsstruktur 3 in einem ausgelenkten Zustand, in dem die Dämpfungsstruktur 3 in die Schwingungsrichtung 110 der beweglich aufgehängten Masse 1 ausgelenkt ist. In 2 ist das mikromechanische System 100 somit in einem Zustand erhöhter Dämpfung dargestellt.
Die zu bedämpfende beweglich aufgehängte Masse 1 ist Teil des mikromechanischen Systems 100, beispielsweise Teil eines Beschleunigungs- oder Drehratensensors, und ist beispielsweise über ein (hier nicht dargestelltes) Federsystem beweglich aufgehängt. An der beweglich aufgehängten Masse 1 ist die Elektrodenstruktur 2 angeordnet, die ihrerseits eine Gruppe von Elektrodenfingern 5, 5', 5" umfasst, die fest mit der Masse 1 verbunden sind. Die Masse 1 kann insbesondere parallel und antiparallel zu einer Schwingungsrichtung 110 schwingen. Auch weitere Schwingungsachsen sind prinzipiell denkbar. Das mikromechanische System 100 umfasst ferner eine Dämpfungsanordnung 20, die eine Dämpfungsstruktur 3 und eine Kontrollelektrodenstruktur 6 umfasst. Die Kontrollelektrodenstruktur 6 ist unbeweglich mit einem Substrat des mikromechanischen Systems verbunden und umfasst mehrere separate Kontrollelektroden 6', 6", 6'". Die Dämpfungsstruktur 3 ist mithilfe einer oder mehrerer Federn 16 beweglich aufgehängt. Die Dämpfungsstruktur 3 umfasst eine Gruppe von Dämpfungsfingern 4, 4', 4", die über einen Trägerbalken bzw. einen Kammrücken 15 miteinander verbunden sind. Die Gruppe von Elektrodenfingern 5, 5', 5" kann über die Gruppe von Dämpfungsfinger 4, 4', 4" bedämpft werden.
An die Kontrollelektrodenstruktur 6 kann eine externe elektrische Spannung U angelegt werden, um über die Spalte 30', 31' eine elektrostatische Anziehungskraft auf die Dämpfungsstruktur 3 auszuüben und die Dämpfungsstruktur 3 gegenüber der zu bedämpfenden Masse 1 auslenken zu können. Ein Abstand 30 zwischen dem Dämpfungsfinger 4 und der Kontrollelektrode 6' ist dabei kleiner als ein weiterer Abstand 31 zwischen dem weiteren Dämpfungsfinger 4' und der Kontrollelektrode 6'. Die Abstände 30, 31 der Spalte 30', 31' sind somit asymmetrisch gestaltet, sodass die Kraft über den kleineren Spalt 30' bei Anlegen einer Spannung U dominiert und die Dämpfungsstruktur 3 immer in die gleiche Richtung ausgelenkt wird. In den 1 und 2 wird die Dämpfungsstruktur 3 daher bei Anlegen einer Spannung U immer nach oben (bzw. in die Schwingungsrichtung 110) ausgelenkt.
Beträgt die Kontrollspannung U zwischen der Kontrollelektrodenstruktur 6 und den Dämpfungsfingern 4, 4', 4" U = 0 V, befindet sich das System im nicht ausgelenkten Zustand, wie in 1 dargestellt. Der Fingerabstand 32 zwischen dem Elektrodenfinger 5 und dem Dämpfungsfinger 4 ist im nicht ausgelenkten Zustand genauso groß wie der weiterer Fingerabstand 33 zwischen dem Elektrodenfinger 5 und dem weiterem Dämpfungsfinger 4'. Die Abstände eines Dämpfungsfingers 4, 4', 4" zu den beiden jeweils benachbarten Elektrodenfingern 5, 5', 5" sind im nicht ausgelenkten Zustand somit symmetrisch.
Wird nun eine von 0 V abweichende Spannung U = U0 angelegt, wird über den Spalt 30' eine elektrostatische Kraft ausgeübt, die die Dämpfungsstruktur 3 entsprechend der in 2 gezeigten Situation nach oben zieht. Damit verringert sich auch der Fingerabstand 32 bei gleichzeitiger Vergrößerung des weiteren Fingerabstands 33. Dies führt aufgrund der nichtlinearen Abhängigkeit der Dämpfungskraft F vom Spaltabstand d (bzw. vom Fingerabstand d zwischen einem Dämpfungsfinger und einem Elektrodenfinger) entsprechend der Abhängigkeit $F \sim 1 / d 3$
in Summe zu einer erhöhten Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse 1 gegenüber dem nicht ausgelenkten Fall. Die Nichtlinearität führt dabei dazu, dass die Dämpfungskraft über den sich verkleinernden Fingerabstand 32 stärker zunimmt als die Kraft über den sich vergrößernden weiteren Fingerabstand 33 abnimmt.
Auf diese Weise lässt sich durch Anlegen einer externen Spannung U die Dämpfung einer Schwingung der Masse 1 mithilfe der Spannung U kontinuierlich variieren bzw. einstellen und somit ein Frequenzverhalten und/oder eine Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse 1 verändern. Aufgrund der Nichtlinearität der Auslenkung der Dämpfungsstruktur 3 mit der Spannung U kann die Auslenkung allerdings (zumindest für typische Dimensionen und Abstände) nur im Bereich von ca. einem Drittel des Abstands 30 zwischen dem Dämpfungsfinger 4 und der Kontrollelektrode 6' (also der Breite des Spalts 30' im nicht ausgelenkten Zustand) variiert werden. Darüber hinaus kommt es zum sogenannten „Schnappen“ des Dämpfungsfingers 4 in Richtung der Kontrollelektrode 6' und somit zum Schnappen der beweglichen Dämpfungsstruktur 3 an die Kontrollelektrodenstruktur 6. Ohne weitere Maßnahmen würde es in einem solchen Fall zu einem Berühren und einem Kurzschluss zwischen der Gruppe von Dämpfungsfingern 4, 4', 4" und der Kontrollelektrodenstruktur 6 kommen.
Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ist der Abstand 30 zwischen dem Dämpfungsfinger 4 und der Kontrollelektrode 6' kleiner als die Fingerabstände 32, 33 zwischen den mit der Masse 1 verbundenen Elektrodenfingern 5, 5' und dem Dämpfungsfinger 4. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Anordnung der Dämpfungsanordnung 20. Allerdings ist in dieser Konfiguration der maximal mögliche Einstellbereich der Dämpfung begrenzt. Da die Änderung des Abstands 30 auf ein Drittel begrenzt ist, beträgt die relative Änderung des Fingerabstands 32 im ersten Ausführungsbeispiel weniger als ein Drittel.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Systems 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem nicht ausgelenkten Zustand dargestellt, wobei gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Erhöhung der relativen Änderung des Fingerabstands 32 zwischen dem Elektrodenfinger 5 und dem Dämpfungsfinger 4 ermöglicht wird. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist im nicht ausgelenkten Zustand der Abstand 30 zwischen dem Dämpfungsfinger 4 und der Kontrollelektrode 6' größer als der Fingerabstand 32 zwischen dem Elektrodenfinger 5 und dem Dämpfungsfinger 4. Wird in diesem Fall die Gruppe von Dämpfungsfingern 4, 4', 4" mittels der Kontrollspannung U um ein Drittel des Abstands 30 ausgelenkt, beträgt die relative Änderung des Fingerabstand 32 zwischen dem Elektrodenfinger 5 und dem Dämpfungsfinger 4 deutlich mehr als ein Drittel. Es ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel somit möglich, über die Kontrollspannung eine besonders große relative Änderung der Dämpfung zu bewirken. Für die Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird dabei allerdings ggf. etwas mehr Fläche benötigt.
In den 4 und 5 sind schematische Darstellungen eines mikromechanischen Systems 100 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zur Vermeidung des Schnappens, welches im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurde, sind im dritten Ausführungsbeispiel fest mit dem Substrat verbundene Stoppervorrichtungen 12 bzw. Anschlagstrukturen 12 vorhanden.
Die substratfesten Stoppervorrichtungen 12 befinden sich der beweglichen Dämpfungsstruktur 3 gegenüber, um deren Auslenkung zu begrenzen. Die Dämpfungsstruktur 3 umfasst einen Finger 11, der derart angeordnet ist, dass bei entsprechender Auslenkung der Dämpfungsstruktur 3 ein mechanischer Kontakt zwischen dem Finger 11 und der Stoppervorrichtung 12 ausgebildet wird, sodass die Dämpfungsstruktur 3 gestoppt wird und eine weitergehende Auslenkung der Dämpfungsstruktur 3 verhindert wird.
Mithilfe der Stoppervorrichtung 12 besteht ferner die Möglichkeit, ein gezieltes Dämpfungsniveau im „geschnappten“ Zustand zu definieren, also in dem Zustand, in dem die Stoppervorrichtung 12 und die Dämpfungsstruktur 3 in Kontakt kommen. Durch Wahl des Abstands zwischen Stoppervorrichtung 12 und Dämpfungsstruktur 3 (parallel zur Schwingungsrichtung 110) ist ein definierter Restabstand für den Fingerabstand 32 zwischen dem Elektrodenfinger 5 und dem Dämpfungsfinger 4 beim Kontakt der Stoppervorrichtung 12 und der Dämpfungsstruktur 3 einstellbar. Somit lässt sich mittels der Spannung U zwischen geringer Dämpfung (4 - keine Auslenkung der Dämpfungsstruktur 3) und hoher Dämpfung (5 - ausgelenkter Zustand der Dämpfungsstruktur 3 und Kontakt zwischen der Dämpfungsstruktur 3 und der Stoppervorrichtung 12) hin und her schalten, sodass eine bimodale Funktion bzw. ein abrupter Wechsel zwischen den beiden Dämpfungsniveaus ermöglicht wird. Zusätzlich oder alternativ ist es auch bei dieser Ausführungsform denkbar, dass der Abstand 30 zwischen dem Dämpfungsfinger 4 und der Kontrollelektrode 6' im Bereich von insbesondere einem Drittel des Abstands 30 (Breite des Spalts 30' im Ruhezustand) kontinuierlich variiert werden kann, um eine kontinuierlich Variation der Dämpfung zu ermöglichen.
Ein möglicher Nachteil der bisher dargestellten Ausführungsbeispiele ist eine asymmetrische Dämpfung bzgl. der Richtung der Auslenkung der zu bedämpfenden beweglich aufgehängten Masse 1. Im nach oben ausgelenkten Zustand der Masse 1 (insbesondere in Schwingungsrichtung 110) wäre die Dämpfung über den dominierenden Fingerabstand 32 größer als im nach unten ausgelenkten Zustand der Masse 1 (insbesondere entgegengesetzt zur Schwingungsrichtung 110). Dies führt zu einem nichtlinearen Verhalten des gesamten Sensors.
In den 6 und 7 sind schematische Darstellungen eines mikromechanischen Systems 100 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, mit dem ein solcher möglicher Nachteil behoben werden kann. Zusätzlich zu der Dämpfungsanordnung 20 umfasst das mikromechanische System 100 hierbei eine weitere Dämpfungsanordnung 21, die spiegelsymmetrisch zur Dämpfungsanordnung 20 ausgebildet ist und ebenso zur Veränderung des Frequenzverhaltens und/oder der Dämpfung der Masse 1 verwendet wird. Die weitere Dämpfungsanordnung 21 ist spiegelsymmetrisch zu der Dämpfungsanordnung 20 bezüglich einer senkrecht zur Schwingungsrichtung 110 verlaufenden Symmetrieebene ausgebildet. Die weitere Dämpfungsanordnung 21 umfasst dementsprechend die gleichen (aber spiegelsymmetrisch angeordneten) Strukturen und Elemente wie die Dämpfungsanordnung 20, insbesondere eine entsprechende weitere Dämpfungsstruktur 22 mit einer Gruppe von Dämpfungsfingern, eine Elektrodenstruktur 23 mit einer Gruppe von Elektrodenfingern und eine Kontrollelektrodenstruktur 24 mit einer Gruppe von Kontrollelektroden.
6 zeigt die Dämpfungsanordnung 20 und die weitere Dämpfungsanordnung 21 ohne angelegte Spannung U im nicht ausgelenkten Ruhezustand und 7 zeigt einen ausgelenkten Zustand bei angelegter Spannung U. Zur Einstellung einer hohen Dämpfung werden die beiden Dämpfungsstrukturen 3, 22 dabei spiegelsymmetrisch ausgelenkt. Die Dämpfungsstruktur 3 wird bei angelegter Spannung in Schwingungsrichtung 110 ausgelenkt und die weitere Dämpfungsstruktur 22 entgegengesetzt zur Schwingungsrichtung 110 (7). Damit ergibt sich für die Masse 1 bei einer Auslenkung der Masse 1 in Schwingungsrichtung 110 aus Symmetriegründen die gleiche Dämpfung wie im Falle einer Auslenkung der Masse 1 entgegengesetzt zur Schwingungsrichtung 110. Somit kann ein verbessertes Schwingverhalten der Masse 1 erreicht werden.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen kann es beim Anlegen einer Spannung U an die Kontrollelektrodenstruktur 6 zu einem unerwünschten Drehmoment auf Grund einseitiger Kräfte kommen, da sich die Gruppe von Dämpfungsfingern 4, 4', 4" der Dämpfungsstruktur 3 nur auf einer Seite (rechts) des Trägerbalkens bzw. Kammrückens 15 befindet. In einer Weiterbildung ist es daher denkbar, die auf das System wirkende Kraft durch beidseitige Elektrodenanordnung zu symmetrisieren (beispielsweise durch Dämpfungsfinger, die beidseitig am Trägerbalken bzw. Kammrücken 15 angeordnet werden). In 8 ist eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Systems 100 gemäß einem derartigen fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Dämpfungsstruktur 3 sowie die Kontrollelektrodenstruktur 6 sind beidseitig des Kammrückens 15 ausgebildet.
In 9 ist eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Systems 100 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem Fall sind die zur Auslenkung der Dämpfungsstruktur 3 verwendeten Kontrollelektroden 6', 6'', 6''' jeweils als Kammelektroden (ohne Kammrücken bzw. Trägerbalken) ausgeführt. Die Kammstrukturen der Kontrollelektroden 6' erstrecken sich hierbei jeweils senkrecht zu dem Hauptkörper 40 des Dämpfungsfingers 4 und somit parallel zur Schwingungsrichtung 110. Zur Bildung einer Kammelektrodenkonfiguration sind auf den Hautkörpern 40 der Dämpfungsfinger 4, 4', 4" ferner Stege bzw. Fingerstrukturen 41, 41', 41" angebracht, die sich ausgehend vom Hauptkörper 40 senkrecht (und somit parallel zur Schwingungsrichtung 100) erstrecken. Das sich bei Anlegen einer Spannung U in den Spalten 42 zwischen den Fingerstrukturen 41, 41', 41" und den Kontrollelektroden 6' bildende elektrostatische Feld führt zu einer Auslenkung der Dämpfungsstruktur 3 in die Schwingungsrichtung 100. Kammelektroden bieten hierbei den Vorteil einer linearen Auslenkung in Abhängigkeit der angelegten Spannung U, so dass ein Schnappen im Gegensatz zu Platten-Elektroden besonders vorteilhaft vermeidbar ist. Dies ermöglicht eine feiner abgestufte Dämpfungsvariation.
Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele lassen sich beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere ist es möglich, Kammelektroden gemäß 9, eine symmetrische Dämpfungsstruktur 3 gemäß 8, Anschlagsstrukturen bzw. Stoppervorrichtungen 12 gemäß den 4 und 5 und/oder eine Symmetrieverbesserung gemäß den 6 und 7 beliebig miteinander zu kombinieren, wodurch sich auch die entsprechenden vorteilhaften Effekte kombinieren lassen.

Claims

Mikromechanisches System (100), umfassend eine beweglich aufgehängte Masse (1), dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische System (100) eine Dämpfungsanordnung (20) umfasst, wobei die Dämpfungsanordnung (20) eine beweglich aufgehängte Dämpfungsstruktur (3) aufweist, wobei die Dämpfungsstruktur (3) durch Anlegen einer elektrischen Spannung auslenkbar ist, wobei die Dämpfungsstruktur (3) derart ausgebildet ist, dass mithilfe einer Auslenkung der Dämpfungsstruktur (3) ein Frequenzverhalten und/oder eine Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse (1) veränderbar ist.
Mikromechanisches System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglich aufgehängte Masse (1) eine Elektrodenstruktur (2) umfasst, wobei die Elektrodenstruktur (2) derart eingerichtet, dass sich bei der Auslenkung der Dämpfungsstruktur (3) eine Dämpfungskraft zwischen der Elektrodenstruktur (2) und der Dämpfungsstruktur (3) ändert, sodass sich mithilfe der Auslenkung der Dämpfungsstruktur (3) das Frequenzverhalten und/oder die Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse (1) verändert.
Mikromechanisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsanordnung (20) eine Kontrollelektrodenstruktur (6) umfasst, wobei die Dämpfungsstruktur (3) durch Anlegen der Spannung an der Kontrollelektrodenstruktur (6) und/oder Dämpfungsstruktur (3) auslenkbar ist.
Mikromechanisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsstruktur (3) einen Dämpfungsfinger (4), insbesondere eine Gruppe von Dämpfungsfingern (4,4', 4"), umfasst, wobei die Elektrodenstruktur (2) einen Elektrodenfinger (5), insbesondere eine Gruppe von Elektrodenfingern (5,5',5'') umfasst.
Mikromechanisches System (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Dämpfungsfingern (4, 4', 4") einen weiteren Dämpfungsfinger (4') umfasst, wobei die Kontrollelektrodenstruktur (6) eine Kontrollelektrode (6') umfasst, wobei die Kontrollelektrode (6') zwischen dem Dämpfungsfinger (4) und dem weiteren Dämpfungsfinger (4') angeordnet ist.
Mikromechanisches System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (30) zwischen dem Dämpfungsfinger (4) und der Kontrollelektrode (6') kleiner ist als ein weiterer Abstand (31) zwischen dem weiteren Dämpfungsfinger (4') und der Kontrollelektrode (6').
Mikromechanisches System (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, -- dass sich die Kontrollelektrode (6') parallel zu dem Dämpfungsfinger (4) erstreckt, oder -- dass sich die Kontrollelektrode (6') senkrecht zu dem Dämpfungsfinger (4) und/oder senkrecht zu einem Hauptkörper (40) des Dämpfungsfingers (4) erstreckt, wobei der Dämpfungsfinger (4) vorzugsweise eine oder mehrere Fingerstrukturen (41, 41', 41") aufweist, die sich besonders bevorzugt parallel zu der Kontrollelektrode (6') erstrecken.
Mikromechanisches System (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenfinger (5) zwischen dem Dämpfungsfinger (4) und dem weiteren Dämpfungsfinger (4') angeordnet ist, wobei ein Fingerabstand (32) zwischen dem Elektrodenfinger (5) und dem Dämpfungsfinger (4) kleiner oder gleich groß oder größer ist als der Abstand (30) zwischen dem Dämpfungsfinger (4) und der Kontrollelektrode (6').
Mikromechanisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische System (100) eine Stoppervorrichtung (12) umfasst, wobei mithilfe der Stoppervorrichtung (12) die Auslenkung der Dämpfungsstruktur (3) begrenzbar ist.
Mikromechanisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische System (100) eine weitere Dämpfungsanordnung (21) umfasst, wobei die weitere Dämpfungsanordnung (21) eine weitere Dämpfungsstruktur (22) umfasst, wobei die weitere Dämpfungsstruktur (22) derart ausgebildet ist, dass mithilfe einer Auslenkung der weiteren Dämpfungsstruktur (22) das Frequenzverhalten und/oder die Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse (1) veränderbar ist, wobei die weitere Dämpfungsstruktur (22) durch Anlegen der elektrischen Spannung bevorzugt entgegengesetzt zur Dämpfungsstruktur (3) auslenkbar ist, wobei die weitere Dämpfungsanordnung (21) besonders bevorzugt spiegelsymmetrisch zur Dämpfungsanordnung (20) ausgebildet ist.
Mikromechanisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsstruktur (3) und die Kontrollelektrodenstruktur (6) beidseitig um einen Kammrücken (15) der Dämpfungsstruktur (3) ausgebildet sind.
Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Systems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungsstruktur (3) durch Anlegen einer elektrischen Spannung ausgelenkt wird, wobei mithilfe der Auslenkung der Dämpfungsstruktur (3) ein Frequenzverhalten und/oder eine Dämpfung der beweglich aufgehängten Masse (1) verändert wird.