DE102020211292A1

DE102020211292A1 - Mikromechanische Struktur und mikromechanischer Sensor

Info

Publication number: DE102020211292A1
Application number: DE102020211292.4A
Authority: DE
Inventors: Kurt-Ulrich Ritzau; Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10
Also published as: CN114229786A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur, aufweisend ein Substrat und eine gegenüber dem Substrat bewegliche seismische Masse, wobei eine Torsionsfeder die seismische Masse mit dem Substrat verbindet. Die mikromechanische Struktur weist ferner Detektionsmittel auf, wobei eine erste Richtung und eine zur ersten Richtung im Wesentlichen senkrechte zweite Richtung eine Haupterstreckungsebene des Substrats definieren, wobei die Detektionsmittel zur Detektion einer rotatorischen Auslenkung der seismischen Masse um eine Rotationsachse vorgesehen sind, wobei die Rotationsachse in der zweiten Richtung angeordnet ist. Die mikromechanische Struktur weist ferner eine Anschlagstruktur auf, wobei die Anschlagstruktur derart angeordnet ist, dass eine Bewegung der seismischen Masse durch Anschlagstruktur eingeschränkt ist, wobei die Anschlagstruktur eingerichtet ist, eine kinetische Energie der seismischen Masse in einem teilweise elastischen und teilweise inelastischen Stoß aufzunehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur und einen mikromechanischen Sensor.
Stand der Technik
Beschleunigungssensoren bestehen häufig aus mikromechanischen Strukturen (auch bezeichnet als MEMS-Strukturen, also mikroelektrischmechanischen System-Strukturen), die aus dicken Polysilicium-Funktionsschichten geätzt werden. Diese werden über dünnen vergrabenen Polysiliciumschichten angeordnet. Diese sind ihrerseits mit einer Oxidschicht auf einem Substrat verankert. Auch zwischen den beiden Polysiliciumschichten wird eine Oxidschicht vorgesehen. Die vergrabene Polysilicium-Schicht dient als Leiterbahn oder als Elektrode. Die Funktionsschicht wird über einen Trenchprozess und ein Oxid-Opferschichtverfahren freigestellt. Die vergrabene Schicht ist über ein Oxid elektrisch vom Substrat getrennt. Die Leiterbahnen und Elektroden sind breit genug um nicht im Oxid- Opferoxidätzschritt vollständig unterätzt zu werden und so stabil am Substrat verankert zu sein.
Die so hergestellten mikromechanischen Strukturen können in der weiteren Prozessfolge mit einer Kappe versiegelt werden, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Außerdem wird je nach Anwendung innerhalb des verschlossenen Volumens ein Gas mit einem geeigneten Druck eingeschlossen. Der Verschluss erfolgt meist über ein Seal-Glas-Bond-Verfahren oder über ein eutektisches Bond-verfahren beispielsweise mit AlGe.
Um in einem derartigen Herstellungsprozess einen Z-Beschleunigungssensor herzustellen, wird in der dicken Funktionsschicht eine Struktur mit einer seismischen Masse hergestellt, die über Torsionsfedern am Substrat verankert ist. Die Massenverteilung der seismischen Masse wird asymmetrisch gewählt. Unter der seismischen Masse werden zwei Elektrodenflächen angeordnet, um die Auslenkung der seismischen Masse kapazitiv messen zu können.
Bei Überlast sollen die seismischen Massen nicht auf den darunterliegenden Elektrodenflächen aufschlagen. Im Betrieb des Sensors liegt zwischen den Elektrodenflächen und der seismischen Masse eine Auswertespannung an, wodurch es bei einem Kontakt zu einem Verschweißen der seismischen Masse an den Elektroden kommen könnte. Es sind viele Anschlagskonzepte bekannt um dies zu verhindern. Viele der Konzepte basieren auf einer Anschlagstruktur, die an oder in der seismischen Masse ausgebildet wird, die auf eine im Substrat vorgesehene feste Gegenstruktur auf geeignetem Potential anschlägt. Bei Überlast schlagen diese Anschlagstrukturen sehr hart auf und haben die Tendenz an der Gegenfläche kleben zu bleiben. Bekannt ist, dass die Klebeneigung mit zunehmender Stärke der Überlast zunimmt. Weiter bekannt ist, dass auch bei häufiger Belastung der Anschlagstruktur die Klebeneigung zunimmt.
Um Kleben bei hoher Überlast zu vermeiden, sind Konzepte bekannt in denen zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur ein federndes Element vorgesehen ist. Die Feder kann ein Teil der Energie im Anschlagsfall aufnehmen und so die Belastung der Anschlagstruktur verringern. Eine solche Anschlagstruktur ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2012 207 939 A1 offenbart. Die Feder gibt die beim Aufschlag gespeicherte Energie wieder nahezu vollständig an die seismische Masse ab, so dass gegebenenfalls mehrere Anschläge hintereinander zu beobachten sind.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte mikromechanische Struktur anzugeben, bei der die beim Anschlag wirkende kinetische Energie der seismischen Masse nicht vollständig wieder an die seismische Masse abgegeben wird, um die Anzahl der Anschläge zu reduzieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen mikromechanischen Sensor mit einer solchen mikromechanischen Struktur anzugeben.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine mikromechanische Struktur weist ein Substrat und eine gegenüber dem Substrat bewegliche seismische Masse auf, wobei eine Torsionsfeder die seismische Masse mit dem Substrat verbindet. Die mikromechanische Struktur weist ferner Detektionsmittel auf. Eine erste Richtung und eine zur ersten Richtung im Wesentlichen senkrechte zweite Richtung definieren eine Haupterstreckungsebene des Substrats, wobei die Detektionsmittel zur Detektion einer rotatorischen Auslenkung der seismischen Masse um eine Rotationsachse vorgesehen sind, wobei die Rotationsachse in der zweiten Richtung angeordnet ist. Die mikromechanische Struktur weist ferner eine Anschlagstruktur auf, wobei die Anschlagstruktur derart angeordnet ist, dass eine Bewegung der seismischen Masse durch die Anschlagstruktur eingeschränkt ist. Die Anschlagstruktur ist eingerichtet, eine kinetische Energie der seismischen Masse in einem teilweise elastischen und teilweise inelastischen Stoß aufzunehmen.
Dadurch, dass die Anschlagstruktur die kinetische Energie der seismischen Masse in einem teilweise inelastischen Stoß aufnimmt, kann erreicht werden, dass ein Teil der zum Zeitpunkt des Anschlags vorhandenen kinetischen Energie dissipiert wird. Dadurch ist die mittels des elastischen Stoßes wieder an die seismische Masse abgegebene Energie kleiner als die kinetische Energie der seismischen Masse beim Aufprall, so dass gegebenenfalls ein weiterer Anschlag der seismischen Masse am Substrat verhindert oder zumindest in seiner Intensität verringert werden kann.
In einer Ausführungsform kann die rotatorische Auslenkung durch eine Einwirkung einer zu messenden Größe auf die seismische Masse verursacht werden, insbesondere durch eine Beschleunigung in einer dritten Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene. In einem Betriebsbereich ist die zu messende Größe derart, dass die rotatorische Auslenkung nicht zu einer mechanischen Berührung der seismischen Masse mit dem Substrat führt. In einem Überlastbereich, also wenn die zu messende Größe außerhalb des Betriebsbereichs liegt, kann eine mechanische Berührung der seismischen Masse mit dem Substrat nicht ausgeschlossen werden, so dass hier eine Begrenzung der Bewegung der seismischen Masse mittels der Anschlagstruktur erfolgt.
In einer Ausführungsform weisen die Detektionsmittel eine Elektrodenstruktur mit an der seismischen Masse befestigten ersten Elektroden und mit am Substrat befestigten zweiten Elektroden auf. Alternativ können die Detektionsmittel beispielsweise einen Laser und einen positionssensitiven Detektor aufweisen, mittels denen ein an der seismischen Masse reflektierter Laserstrahl je nach Rotationswinkel auf unterschiedliche Positionen des positionssensitiven Detektors trifft und so eine Auslenkung der seismischen Masse bestimmt werden kann. Andere Detektionsmittel sind ebenfalls denkbar.
Es kann vorgesehen sein, dass das Substrat eine Kappe aufweist, mit der die mikromechanische Struktur von äußeren Einflüssen abgeschirmt wird und die insbesondere derart ausgestaltet ist, dass Substrat und Kappe ein geschlossenes Gehäuse bilden. Die Anschlagstruktur kann dann auch zwischen der seismischen Masse und der zum Substrat zugehörigen Kappe angeordnet sein.
In einer Ausführungsform wird mindestens zwanzig Prozent der kinetischen Energie inelastisch aufgenommen. Dabei kann vorgesehen sein, mindestens zwanzig Prozent und höchstens neunzig Prozent der kinetischen Energie inelastisch aufzunehmen. Dies bedeutet, dass zwischen zehn und achtzig Prozent der kinetischen Energie wieder an die seismische Masse mittels des elastischen Stoßes abgegeben werden. Dadurch kann eine entsprechende Rückstellkraft auf die seismische Masse wirken, so dass ein Kleben verhindert oder zumindest eine Wahrscheinlichkeit für ein Kleben verringert werden kann. Es kann ferner vorgesehen sein, dass für unterschiedliche kinetische Energien unterschiedliche Anteile für den elastischen und den inelastischen Stoß vorgesehen sind. Beispielsweise kann somit für hohe kinetische Energien vorgesehen sein, bis zu neunzig Prozent der kinetischen Energie im inelastischen Stoß aufzunehmen und für kleine kinetische Energien zwanzig Prozent der kinetischen Energie im inelastischen Stoß aufzunehmen. Damit kann erreicht werden, dass gerade bei kleinen Überlasten die seismische Masse noch mit etwas Schwung wieder in Richtung Ruhelage bewegt wird, wohingegen bei großer Überlast viel Energie aus dem System genommen wird. Damit wird also über einen großen Bereich von unterschiedlichen Überlasten eine kleine Klebeneigung gewährleistet.
In einer Ausführungsform weist die Anschlagstruktur einen Vorsprung und eine Membranstruktur auf, wobei die Membranstruktur eine Membran umfasst. Die Membran umfasst zumindest eine Öffnung. Der Vorsprung kann auf die Membran treffen, insbesondere bei einer Überlast. Ein Bewegen der Membran führt dazu, dass ein in einer Kaverne angeordnetes Fluid durch die Öffnung entweicht und dadurch die kinetische Energie der seismischen Masse im teilweise inelastischen Stoß aufgenommen wird. Die genannte Bauweise der Anschlagstruktur stellt eine mechanisch einfach zu realisierende Ausgestaltung dar, mit der die Aufgabe, einen Teil der kinetischen Energie zu dissipieren, gut erfüllt werden kann. Dabei können für die Membranstruktur und auch für die im Folgenden aufgeführten genaueren Spezifizierungen der Membranstruktur die obigen Überlegungen hinsichtlich der Aufnahme der kinetischen Energie zutreffen.
In einer Ausführungsform beträgt eine Tiefe der Kaverne maximal das Zehnfache eines Abstands zwischen dem Vorsprung und der Membran. Dies ermöglicht einen effizienten inelastischen Stoß des Vorsprungs mit der Membranstruktur. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Tiefe der Kaverne maximal fünf Mikrometer und der Abstand zwischen dem Vorsprung und der Membran maximal drei Mikrometer beträgt. Insbesondere kann der Abstand zwischen dem Vorsprung und der Membran maximal einen oder maximal 0,5 Mikrometer betragen.
In einer Ausführungsform sind mehrere Öffnungen umlaufend um einen Auftreffpunkt der Membran angeordnet. Dies ermöglicht einen effizienten inelastischen Stoß des Vorsprungs mit der Membranstruktur.
In einer Ausführungsform die Öffnung oder die Öffnungen eine Federstruktur in der Membran bilden, wobei die Federstruktur die kinetische Energie der seismischen Masse im teilweise elastischen Stoß aufnimmt. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Bauweise der Membranstruktur, da mittels der Öffnungen Parameter des inelastischen Stoßes und mittels der Federstruktur Parameter des elastischen Stoßes eingestellt werden können.
In einer Ausführungsform umschließt die Öffnung zumindest drei Seiten eines Kragbalkens, wobei der Kragbalken Teil der Federstruktur ist. Dies ermöglicht ebenfalls einen einfachen Aufbau der Membranstruktur.
In einer Ausführungsform beträgt eine Dicke der Membran mindestens zweihundert Nanometer. Die Dicke kann auch mindestens dreihundert oder mindestens vierhundert Nanometer betragen. Eine maximale Dicke der Membran kann drei Mikrometer, insbesondere zwei Mikrometer und bevorzugt einen Mikrometer betragen. Diese genannten Dicken ermöglichen einen effizienten Aufbau der Membranstruktur.
In einer Ausführungsform weist die mikromechanische Struktur eine weitere Anschlagstruktur, insbesondere einen weiteren Vorsprung und eine weitere Membranstruktur, auf. Dadurch kann die Bewegung der seismischen Masse durch die weitere Anschlagstruktur eingeschränkt sein.
In einer Ausführungsform weist die mikromechanische Struktur ferner einen Festanschlag auf. Die Anschlagstruktur ist eingerichtet, zwischen fünfundzwanzig und fünfundsiebzig Prozent der in der Torsionsfeder zum Zeitpunkt des Anschlagens des Festanschlags gespeicherten Energie durch den inelastischen Stoß aufzunehmen. Der Festanschlag kann in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen der Anschlagsstruktur und der Torsionsfeder angebracht sein.
Die Erfindung umfasst ferner einen mikromechanischen Sensor mit einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur. Der mikromechanische Sensor kann ferner eine elektrische Schaltung aufweisen, wobei die elektrische Schaltung eingerichtet sein kann, ein mittels der Detektionsmittel generiertes Signal in ein analoges oder digitales Ausgangssignal umzuwandeln.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine mikromechanische Struktur;
2 einen Querschnitt einer mikromechanischen Struktur;
3 einen Querschnitt einer weiteren mikromechanischen Struktur;
4 eine Draufsicht auf eine Membranstruktur;
5 eine Draufsicht auf eine weitere Membranstruktur;
6 eine Draufsicht auf eine weitere Membranstruktur;
7 eine Draufsicht auf eine weitere Membranstruktur;
8 einen Querschnitt einer weiteren mikromechanischen Struktur; und
9 einen mikromechanischen Sensor.

1 zeigt eine mikromechanische Struktur 1, aufweisend ein Substrat 2 und eine gegenüber dem Substrat 2 bewegliche seismische Masse 3. Eine Torsionsfeder 5 verbindet die seismische Masse 3 mit dem Substrat 2, wobei in 1 zwei Torsionsfedern 5 dargestellt sind. Eine erste Richtung 11 und eine zur ersten Richtung 11 im Wesentlichen senkrechte zweite Richtung 12 definieren eine Haupterstreckungsebene des Substrats 2. Die seismische Masse 3 kann um eine Rotationsachse 14 rotatorisch ausgelenkt werden, wobei die Rotationsachse 14 in der zweiten Richtung 12 angeordnet ist. Beispielsweise kann eine in einer dritten Richtung 13 wirkende Beschleunigung eine solche rotatorische Auslenkung um die Rotationsachse 14 verursachen, da die seismische Masse 3 in eine grö-ßere Teilmasse 31 auf einer Seite der Torsionsfedern 5 und in eine kleinere Teilmasse 32 auf der gegenüberliegenden Seite der Torsionsfedern 5 aufgeteilt ist und diese Massenasymmetrie zu einer entsprechenden Auslenkung führt. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch auch für andere zu messende Größen anwendbar, sofern die zu messende Größe zu einer rotatorischen Auslenkung der seismischen Masse 3 führt. Die Torsionsfedern 5 sind mit dem Substrat 2 über ein Verbindungselement 51 verbunden.
2 zeigt einen Querschnitt durch die mikromechanische Struktur 1 der 1 durch das Verbindungselement 51. Die mikromechanische Struktur weist Detektionsmittel 4 zur Detektion der rotatorischen Auslenkung der seismischen Masse 3 um die Rotationsachse 14 auf, die als an der seismischen Masse 3 angeordnete erste Elektroden 41 und als am Substrat 2 angeordnete zweite Elektroden ausgestaltet sind. Die ersten Elektroden 41 und zweiten Elektroden 42 können kapazitiv ausgewertet werden. Alternativ können auch andere Detektionsmittel 4, mit denen eine rotatorische Auslenkung der seismischen Masse 3 detektiert werden kann, vorgesehen sein. Die mikromechanische Struktur 1 weist ferner eine Anschlagstruktur 6 auf. Die Anschlagstruktur ist 6 derart angeordnet, dass eine Bewegung der seismischen Masse 3 durch Anschlagstruktur 6 eingeschränkt ist. Die Anschlagstruktur 6 ist eingerichtet, eine kinetische Energie der seismischen Masse 3 in einem teilweise elastischen und teilweise inelastischen Stoß aufzunehmen.
Dadurch, dass die Anschlagstruktur 6 die kinetische Energie der seismischen Masse in einem teilweise inelastischen Stoß aufnimmt, kann erreicht werden, dass ein Teil der zum Zeitpunkt des Anschlags vorhandenen kinetischen Energie dissipiert wird. Dadurch ist die mittels des elastischen Stoßes wieder an die seismische Masse 3 abgegebene Energie kleiner als die kinetische Energie der seismischen Masse 3 beim Aufprall, so dass gegebenenfalls ein weiterer Anschlag der seismischen Masse 3 am Substrat 2 verhindert oder zumindest in seiner Intensität verringert werden kann.
In einem Betriebsbereich kann die zu messende Größe, beispielsweise eine Beschleunigung, derart sein, dass die rotatorische Auslenkung nicht zu einer mechanischen Berührung der seismischen Masse 3 mit dem Substrat 2 führt. In einem Überlastbereich, also wenn die zu messende Größe außerhalb des Betriebsbereichs liegt, kann eine mechanische Berührung der seismischen Masse 3 mit dem Substrat 2 nicht ausgeschlossen werden, so dass hier eine Begrenzung der Bewegung der seismischen Masse 3 mittels der Anschlagstruktur 6 erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens zwanzig Prozent der kinetischen Energie inelastisch aufgenommen wird.
Die in 2 gezeigte Anschlagstruktur 6 weist einen Vorsprung 61 und eine Membranstruktur 62 auf. Die Membranstruktur 62 umfasst eine Membran 63, wobei die Membran 63 zumindest eine Öffnung umfasst. Der Vorsprung 61 kann auf die Membran 63 treffen. Ein Bewegen der Membran 63 führt dazu, dass ein in einer Kaverne 65 angeordnetes Fluid 66 durch die Öffnung entweicht und dadurch die kinetische Energie der seismischen Masse 3 im teilweise inelastischen Stoß aufgenommen wird. Durch das Entweichen des Fluids 66 durch die Öffnung wird also eine Dämpfung der Anschlagstruktur erreicht. Das Fluid 66 kann dabei ein Gas umfassen. Insbesondere kann ein Druck des Gases so eingestellt werden, dass die relativen Anteile von elastischem und inelastischem Stoß zueinander eingestellt werden.
In 2 ist eine optionale Kappe 21 als Teil des Substrats 2 dargestellt. Die Kappe 21 kann beispielsweise ein Kappenwafer sein. Ferner weist die mikromechanische Struktur 1 der 2 zwei Anschlagstrukturen 6 auf, wobei die Vorsprünge 61 der Anschlagstrukturen 6 jeweils an der größeren Teilmasse 31 der seismischen Masse 3 angeordnet sind und eine Membranstruktur 62 am Substrat 2 und eine Membranstruktur 62 an der Kappe 21 angeordnet ist. Dadurch können zwei Bewegungsrichtungen, insbesondere eine Bewegung der größeren Teilmasse 31 der seismischen Masse 3 nach oben und nach unten durch die Anschlagstrukturen 6 eingeschränkt sein. Grundsätzlich kann auch nur eine Anschlagstruktur 6 vorhanden sein oder die Anschlagstrukturen 6 anders angeordnet sein, beispielsweise derart, dass die Membranstrukturen 62 an der größeren Teilmasse 31 der seismischem Masse 3 und die Vorsprünge 61 am Substrat 2 beziehungsweise an der Kappe 21 angeordnet sind. Die Kappe 21 ist dabei Teil des Substrats 2, so dass auch die zwischen der Kappe 21 und der seismischen Masse 3 angeordnete Anschlagstruktur 6 derart angeordnet ist, dass eine Bewegung der seismischen Masse 3 durch Anschlagstruktur 6 eingeschränkt ist. Die Anschlagstruktur 6 ist eingerichtet, eine kinetische Energie der seismischen Masse 3 in einem teilweise elastischen und teilweise inelastischen Stoß aufzunehmen. Beispielsweise können auch beide Anschlagstrukturen 6 zwischen Kappe 21 und seismischer Masse 3 angeordnet sein.
Ebenfalls in 2 dargestellt ist ein Festanschlag 8. Der Festanschlag 8 dient dazu, eine übermäßige Belastung der Anschlagstrukturen 6 zu vermeiden. Die Anschlagstruktur 6 kann eingerichtet sein, zwischen fünfundzwanzig und fünfundsiebzig Prozent der in der Torsionsfeder 5 zum Zeitpunkt des Anschlagens des Festanschlags 8 gespeicherten Energie durch den inelastischen Stoß aufzunehmen.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere mikromechanische Struktur 1, die der mikromechanischen Struktur 1 der 1 und 2 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. In dieser mikromechanischen Struktur ist keine Kappe 21 vorgesehen. Es sind zwei Anschlagstrukturen, die analog zu 2 aufgebaut sind, zwischen seismischer Masse 3 und Substrat 2 angeordnet, wobei die Vorsprünge 61 jeweils an der seismischen Masse 3 angeordnet sind, wobei einer der Vorsprünge 61 an der größeren Teilmasse 31 und einer der Vorsprünge 62 an der kleineren Teilmasse 32 angeordnet ist. Die Membranstrukturen 62 sind jeweils am Substrat angeordnet. Grundsätzlich kann auch nur eine Anschlagstruktur 6 vorhanden sein oder die Anschlagstrukturen 6 anders angeordnet sein, beispielsweise derart, dass die Membranstrukturen 62 an der seismischem Masse 3 und die Vorsprünge 61 am Substrat 2 angeordnet sind. Ferner kann der Festanschlag auch zusätzlich oder alternativ im Bereich der kleineren Teilmasse 32 vorgesehen sein.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt eine Tiefe 67 der Kaverne 65 maximal das Zehnfache eines Abstands 68 zwischen dem Vorsprung 61 und der Membran 63. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Tiefe 67 der Kaverne 65 maximal fünf Mikrometer. In einem Ausführungsbeispiel beträgt eine Dicke 73 der Membran 64 mindestens zweihundert Nanometer. Die Dicke 73 kann auch mindestens dreihundert oder mindestens vierhundert Nanometer betragen. Eine maximale Dicke 73 der Membran 63 kann drei Mikrometer, insbesondere zwei Mikrometer und bevorzugt einen Mikrometer betragen. Diese genannten Dicken 73 ermöglichen einen effizienten Aufbau der Membranstruktur 62.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Membranstruktur 62 einer mikromechanischen Struktur 1, die beispielsweise in 2 oder 3 zum Einsatz kommen kann. Mehrere Öffnungen 64 sind umlaufend um einen Auftreffpunkt 69 der Membran 63 angeordnet. Ein Öffnungsabstand 74, also ein Abstand der Öffnungen 64 oberhalb und unterhalb des Auftreffpunkts 69, kann dabei größer sein als die Tiefe 67 der Kaverne 65. Insbesondere kann der Öffnungsabstand 74 mindestens das Doppelte der Tiefe 67 der Kaverne 65 betragen. Der Öffnungsabstand 74 kann beispielsweise mindestens fünf Mikrometer betragen.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Membranstruktur 62 einer mikromechanischen Struktur 1, bei der die Öffnungen 64 eine Federstruktur 7 in der Membran 63 bilden. Die Federstruktur 7 nimmt die kinetische Energie der seismischen Masse 3 im teilweise elastischen Stoß auf. Besonders günstig ist es, die Öffnungen 64 neben der Federstruktur 7 schmal, insbesondere maximal zwei Mikrometer breit, auszuführen. Weiter ist es in Kombination mit den Federstrukturen 7 günstig, die Dicke 73 der Membran 63 mit mindestens 400 Nanometern auszuführen. Die Federstrukturen 7 erlauben eine weiche Aufhängung der Membran 63. Die Membran 63 bewegt sich bei Belastung parallel nach unten ohne große Eigenverbiegung, wodurch eine besonders hohe Dämpfung ermöglicht wird.
In 5 sind vier Federstrukturen 7 dargestellt, es kann jedoch auch eine andere Anzahl an Federstrukturen 7 vorgesehen werden, beispielsweise zwei Federstrukturen 7, die dem Auftreffpunkt 69 gegenüberliegen.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Membranstruktur 62 einer mikromechanischen Struktur 1, bei der die Öffnung 64 zumindest drei Seiten 71 eines Kragbalkens 72 umschließt, wobei der Kragbalken 72 Teil der Federstruktur 7 ist.
7 zeigt eine Draufsicht auf eine Membranstruktur 62 einer mikromechanischen Struktur 1, bei der die Öffnung 64 ebenfalls zumindest drei Seiten 71 eines Kragbalkens 72 umschließt, wobei der Kragbalken 72 Teil der Federstruktur 7 ist. Ferner weist der Kragbalken 72 einen Verbindungssteg 75 zwischen dem Auftreffpunkt 69 und der Federstruktur 7 auf, wobei die Federstruktur 7 eine Torsionsfederstruktur ist.
Der Auftreffpunkt 69 kann in den Membranstrukturen der 6 und 7 dabei so gewählt sein, dass der Auftreffpunkt 69 nahe an der mit der Membranstruktur 62 verbundenen Seite des Kragbalkens 72, also nahe der Seite des Kragbalkens 72, die nicht an die Öffnung 64 angrenzt (6) oder nahe des Verbindungsstegs (7), ist. Beispielsweise kann der Auftreffpunkt 69 innerhalb des ersten Drittels oder des ersten Viertels des Kragbalkens 72 liegen, so dass etwa zwei Drittel des Kragbalkens 72 beziehungsweise etwa drei Viertel des Kragbalkens 72 in 6 oder 7 links des Auftreffpunkts 69 und ein Drittel beziehungsweise ein Viertel des Kragbalkens 72 in 6 oder 7 rechts des Auftreffpunkts 69 liegen. Der Auftreffpunkt 69 kann also derart gewählt werden, dass eine Auslenkung des Kragbalkens 72, die durch den Anschlag hervorgerufen wird, in einem Bereich gegenüber eines Befestigungspunkts 76 stärker ausfällt. Dies wird durch eine Hebelanordnung des Kragbalkens 72 unterstützt. Vorteilhaft ist diese Anordnung insbesondere für mikromechanische Strukturen 1, bei denen die Tiefe 67 der Kaverne 65 nicht klein ausgestaltet werden kann, oder bei denen eine aktive Hauptfläche der Membran 63 nicht unbedingt vollständig unter der seismischen Masse 3 angeordnet sein soll. Besonders günstig ist es, die Öffnung 64 um den Kragbalken 72 schmal, insbesondere überwiegend weniger breit als zwei Mikrometer, auszuführen. Weiter ist es günstig, die Dicke 73 der Membran 63 größer als vierhundert Nanometer zu wählen.
8 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere mikromechanische Struktur 1, die der mikromechanischen Struktur 1 der 1 und 2 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die mikromechanische Struktur 1 weist zwei Anschlagstrukturen 6 auf, wobei die Membranstrukturen 62 der Anschlagstrukturen 6 jeweils an der größeren Teilmasse 31 der seismischen Masse 3 angeordnet sind und ein Vorsprung 61 am Substrat 2 und ein Vorsprung 61 an der Kappe 21 angeordnet ist. Ebenfalls in 8 dargestellt ist ein Festanschlag 8. Der Festanschlag 8 dient dazu, eine übermäßige Belastung der Anschlagstrukturen 6 zu vermeiden. Der Festanschlag 8 ist zwischen der Anschlagstruktur 6 und der Torsionsfeder 51 angebracht sein. Auf diese Weise trifft der Vorsprung 61 auf die Membranstruktur 62 bevor der Festanschlag 8 anschlägt, insbesondere wenn Festanschlag 8 und die Anschlagstruktur 6 aus Schichten der gleichen Dicke aufgebaut sind. Ebenso können die räumliche Anordnung der Anschlagstrukturen 6 und des Festanschlags 8 der mikromechanischen Struktur der 3 analog zu 8 angeordnet sein, insbesondere der Festanschlag 8 zwischen der Anschlagstruktur 6 und der Torsionsfeder 51 und die Membranstrukturen 62 an der seismischen Masse und die Vorsprünge 61 am Substrat.
9 zeigt einen mikromechanischen Sensor 9 mit einer mikromechanischen Struktur 1, die wie im Zusammenhang mit den 1 bis 8 erläutert aufgebaut sein kann. Der mikromechanische Sensor 9 umfasst ferner eine optionale elektrische Schaltung 91. Die elektrische Schaltung 91 ist eingerichtet, ein mittels der Detektionsmittel 4 generiertes Signal in ein analoges oder digitales Ausgangssignal umzuwandeln.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012207939 A1 [0006]

Claims

Mikromechanische Struktur (1), aufweisend ein Substrat (2) und eine gegenüber dem Substrat (2) bewegliche seismische Masse (3), wobei eine Torsionsfeder (5) die seismische Masse (3) mit dem Substrat (2) verbindet, wobei die mikromechanische Struktur (1) ferner Detektionsmittel (4) aufweist, wobei eine erste Richtung (11) und eine zur ersten Richtung (11) im Wesentlichen senkrechte zweite Richtung (12) eine Haupterstreckungsebene des Substrats (2) definieren, wobei die Detektionsmittel (4) zur Detektion einer rotatorischen Auslenkung der seismischen Masse (3) um eine Rotationsachse (14) vorgesehen sind, wobei die Rotationsachse (14) in der zweiten Richtung (12) angeordnet ist, wobei die mikromechanische Struktur (1) ferner eine Anschlagstruktur (6) aufweist, wobei die Anschlagstruktur (6) derart angeordnet ist, dass eine Bewegung der seismischen Masse (3) durch Anschlagstruktur (6) eingeschränkt ist, wobei die Anschlagstruktur (6) eingerichtet ist, eine kinetische Energie der seismischen Masse (3) in einem teilweise elastischen und teilweise inelastischen Stoß aufzunehmen.
Mikromechanische Struktur (1) nach Anspruch 1, wobei mindestens zwanzig Prozent der kinetischen Energie inelastisch aufgenommen wird.
Mikromechanische Struktur (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anschlagstruktur (6) einen Vorsprung (61) und eine Membranstruktur (62) aufweist, wobei die Membranstruktur (62) eine Membran (63) umfasst, wobei die Membran (63) zumindest eine Öffnung (64) umfasst, wobei der Vorsprung (61) auf die Membran (63) treffen kann und wobei ein Bewegen der Membran (63) dazu führt, dass ein in einer Kaverne (65) angeordnetes Fluid (66) durch die Öffnung (64) entweicht und dadurch die kinetische Energie der seismischen Masse (3) im teilweise inelastischen Stoß aufgenommen wird.
Mikromechanische Struktur (1) nach Anspruch 3, wobei eine Tiefe (67) der Kaverne (65) maximal das Zehnfache eines Abstands (68) zwischen dem Vorsprung (61) und der Membran (63) beträgt.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei mehrere Öffnungen (64) umlaufend um einen Auftreffpunkt (69) der Membran (63) angeordnet sind.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Öffnung (64) oder die Öffnungen (64) eine Federstruktur (7) in der Membran (63) bilden, wobei die Federstruktur (7) die kinetische Energie der seismischen Masse (3) im teilweise elastischen Stoß aufnimmt.
Mikromechanische Struktur (1) nach Anspruch 6, wobei die Öffnung (64) zumindest drei Seiten (71) eines Kragbalkens (72) umschließt, wobei der Kragbalken (72) Teil der Federstruktur (7) ist.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, ferner aufweisend einen weiteren Vorsprung (61) und eine weitere Membranstruktur (62).
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend einen Festanschlag (8), wobei die Anschlagstruktur (6) eingerichtet ist, zwischen fünfundzwanzig und fünfundsiebzig Prozent der in der Torsionsfeder (5) zum Zeitpunkt des Anschlagens des Festanschlags (8) gespeicherten Energie durch den inelastischen Stoß aufzunehmen.
Mikromechanischer Sensor (9) mit einer mikromechanischen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9.