DE102020211303A1

DE102020211303A1 - Mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102020211303A1
Application number: DE102020211303.3A
Authority: DE
Inventors: Denis Gugel; Sebastian Koss
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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit einer seismischen Masse (30), welche über zumindest eine Feder (32) an einer Halterung (34) des mikromechanischen Bauteils angebunden ist, wobei zumindest ein Teilabschnitt (32a) der Feder (32) einen aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (42) gebildeten ein- oder mehrteiligen Federteilbereich (44) und einen aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (46) gebildeten stegförmigen Bereich (48) umfasst, wobei der stegförmige Bereich (48) eine konstante Breite (bc) entlang einer Raumrichtung (z) aufweist, wobei für den ein- oder mehrteiligen Federteilbereich (44) ein maximaler Abstand (Δ) zwischen einer senkrecht zu der Raumrichtung (z) ausgerichteten ersten Außenfläche (44a) des Federteilbereichs (44) und einer senkrecht zu der Raumrichtung (z) ausgerichteten zweiten Außenfläche (44b) des Federteilbereichs (44) definierbar ist, und wobei der maximale Abstand (Δ) um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstante Breite (bc) des stegförmigen Bereichs (48) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.
Stand der Technik
1a und 1b zeigen schematische Gesamt- und Teildarstellungen eines herkömmlichen Beschleunigungssensors, welcher der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannt ist.
Der in 1a und 1b schematisch dargestellte herkömmliche Beschleunigungssensor hat eine seismische Masse 10, welche über zumindest eine Feder 12 an einer Halterung 14 angebunden ist. Die seismische Masse 10 ist aus einer mittels der Linien 16 wiedergegebenen Ruhestellung unter Verformung zumindest der Feder 12 in Bezug zu der Halterung 14 verstellbar.
Der herkömmliche Beschleunigungssensor ist beispielhaft über zwei Federn 12 an der Halterung 14 angebunden. Bei einem Vorliegen der seismischen Masse 10 des herkömmlichen Beschleunigungssensors in ihrer Ruhestellung erstrecken sich die zwei Federn 12 entlang einer Achse 18. Die seismische Masse 10 ist als asymmetrische Wippe mit einer ersten Teilmasse m₁ auf einer ersten Seite der Achse 18 und einer zweiten Teilmasse m₂ auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Achse 18 ungleich der ersten Teilmasse m₁ ausgebildet, sodass eine Beschleunigung des herkömmlichen Beschleunigungssensors in entlang einer senkrecht zu der Bildebene der 1a ausgerichteten sensitiven Achse des herkömmlichen Beschleunigungssensors eine Kippbewegung der seismischen Masse 10 um die Achse 18 auslöst. Wie in 1a erkennbar ist, bewirkt jedoch auch eine Beschleunigung des herkömmlichen Beschleunigungssensors mit einer senkrecht zu seiner sensitiven Achse ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich null unerwünschte Verstellbewegungen seiner seismischen Masse 10 unter Verformung zumindest der Federn 12 in Bezug zu der Halterung 14. Die unerwünschten Verstellbewegungen umfassen vor allem Linear- und Drehbewegungen der seismischen Masse 10 in einer senkrecht zu der sensitiven Achse des herkömmlichen Beschleunigungssensors ausgerichteten Ebene.
1b zeigt einen Querschnitt durch eine der Federn 12 entlang einer Linie A-A' der 1a. Wie in 1b erkennbar ist, ist zumindest ein Teilabschnitt 12a der Feder 12 mit einem aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 20 gebildeten/herausstrukturierten Federteilbereich 22 und mit einem aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 gebildeten/herausstrukturierten stegförmigen Bereich 26 ausgebildet. Der stegförmige Bereich 26 weist eine maximale Ausdehnung a entlang einer ersten Raumrichtung, eine maximale Höhe h kleiner als die maximale Ausdehnung a entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Raumrichtung und eine konstante Breite b_c kleiner als die maximale Höhe h entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung ausgerichteten dritten Raumrichtung auf. Als zumindest Teilabschnitt 12a der Feder 12 ist somit der Bereich der Feder 12 zu interpretieren, in welchem der aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 24 gebildete stegförmige Bereich 26 die konstante Breite b_c entlang der dritten Raumrichtung hat. Auch für den Federteilbereich 22 zumindest des Teilabschnitts 12a der Feder 12 ist eine maximale Breite bmax entlang der dritten Raumrichtung definierbar, welche gleich der konstanten Breite b_c des stegförmigen Bereichs 26 ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein optimiertes Feder-Design für zumindest eine Feder eines mikromechanischen Bauteils derart, dass die jeweilige Feder besser als eine Torsionsfeder für eine mittels des mikromechanischen Bauteils realisierte Sensorvorrichtung verwendbar ist. Wie anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird, bewirkt das mittels der vorliegenden Erfindung optimierte Feder-Design eine verbesserte Robustheit der jeweiligen Feder gegenüber unerwünschten Auslenkbewegungen der damit an einer Halterung des jeweiligen mikromechanischen Bauteils angebundenen seismischen Masse. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Feder-Design für die jeweilige Feder, welches eine geringe Torsionssteifigkeit aufweist und gleichzeitig eine hohe Biegesteifigkeit gegenüber unerwünschten Biegeverformungen der jeweiligen Feder hat. Des Weiteren ist das mittels der vorliegenden Erfindung optimierte Feder-Design mittels eines vergleichsweise einfach ausführbaren Prozesses ausbildbar, weshalb ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauteil kostengünstig und mit einem vertretbaren Arbeitsaufwand herstellbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist der Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder einteilig ausgebildet und weist eine entlang der dritten Raumrichtung ausgerichtete maximale Breite als maximalen Abstand zwischen seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung ausgerichteten ersten Außenfläche und seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Außenfläche auf, welche um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstante Breite des stegförmigen Bereichs ist. Die in diesem Absatz beschriebene Ausbildung des Federteilbereichs zumindest des Teilabschnitts der Feder setzt einer Torsion der Feder um eine sich entlang ihrer maximalen Ausdehnung erstreckenden Achse kaum einen Widerstand entgegen, während der Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder gegenüber einer Verbiegung derart, dass ein erstes Ende der Feder in Bezug zu einem von dem ersten Ende weg gerichteten zweiten Ende der Feder versetzt ist, vergleichsweise steif ist.
Alternativ kann der Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder zumindest einen parallel zu der ersten Raumrichtung ausgerichteten ersten Federbalken und einen parallel zu der ersten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Federbalken umfassen. Auch der erste Federbalken und der zweite Federbalken setzen einer Torsion der Feder um eine sich entlang ihrer maximalen Ausdehnung erstreckenden Achse kaum einen Widerstand entgegen, haben aber eine relativ hohe Steifigkeit gegenüber einer Verbiegung der jeweiligen Feder derart, dass ein erstes Ende der Feder in Bezug zu einem von dem ersten Ende weg gerichteten zweiten Ende der Feder versetzt ist.
Insbesondere können der erste Federbalken zumindest des Teilabschnitts der Feder und der zweite Federbalken zumindest des Teilabschnitts der Feder jeweils eine konstante Balkenbreite entlang der dritten Raumrichtung aufweisen, wobei ein Balkenabstand des ersten Federbalkens zumindest des Teilabschnitts der Feder und des zweiten Federbalkens zumindest des Teilabschnitts der Feder zu einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung ausgerichteten und den stegförmigen Bereich mittig schneidenden Ebene größer-gleich der Balkenbreite ist. Dies verbessert die in dem vorausgehenden Absatz beschriebenen Vorteile.
Alternativ oder ergänzend kann der Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder mindestens einen parallel zu der dritten Raumrichtung ausgerichteten Verbindungsbalken umfassen, über welchen der erste Federbalken mit dem zweiten Federbalken verbunden ist. Auch dies steigert eine Biegesteifigkeit zumindest des Teilabschnitts der Feder gegenüber unerwünschten Verformbewegungen unter Beibehaltung einer geringen Torsionssteifigkeit.
Sofern das mikromechanische Bauteil zumindest einen Rest eines Substrats umfasst, liegt der Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder vorzugsweise zwischen dem stegförmigen Bereich und zumindest dem Rest des Substrats. Das vorausgehend beschriebene vorteilhafte Feder-Design ist somit leicht ausbildbar.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen eines entsprechenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung gewährleistet, wobei das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden kann.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a und 1b schematische Gesamt- und Teildarstellungen eines herkömmlichen Beschleunigungssensors;
2a bis 2c schematische Gesamt- und Teildarstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3 eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
4a und 4b schematische Teildarstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
5 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung
2a bis 2c zeigen schematische Gesamt- und Teildarstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 2a bis 2c schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist eine seismische Masse 30 auf, welche über zumindest eine Feder 32 an einer Halterung 34 des mikromechanischen Bauteils angebunden ist. Beispielhaft ist bei der Ausführungsform der 2a bis 2c die seismische Masse 30 über zwei Federn 32, welche sich in ihrer Ausgangsform entlang einer Achse 36 erstrecken, an der Halterung 34 angebunden. Zueinander ausgerichtete Enden der beiden Federn 32 sind an einem Verankerungsbereich 34a der Halterung 34 angebunden, während voneinander weg gerichtete Enden der Federn 32 an der seismischen Masse 30 verankert sind. Die Achse 36 unterteilt die seismische Masse 30 in eine erste Teilmasse m₁ auf einer ersten Seite der Achse 36 und in eine zweite Teilmasse m₂ ungleich der ersten Teilmasse m₁ auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der Achse 36. Die seismische Masse 10 ist deshalb als eine asymmetrische Wippe umschreibbar.
Sofern das mikromechanische Bauteil keine Beschleunigungen erfährt, liegt die seismische Masse 30 in einer mittels der Linien 38 wiedergegebenen Ruhestellung in Bezug zu der Halterung 34 vor. Allerdings ist die seismische Masse 30 unter Verformung zumindest der Feder/Federn 32 in Bezug zu der Halterung 34 verstellbar. Insbesondere wird, sofern das mikromechanische Bauteil eine Beschleunigung mit einer entlang seiner sensitiven Achse 40 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich null erfährt, die seismische Masse 30 aufgrund ihrer ungleichen Teilmassen m₁ und m₂ in eine Kippbewegung um die Achse 36 verstellt.
2b und 2c zeigen jeweils einen Querschnitt durch eine der Federn 32 entlang einer senkrecht zu der Achse 36 ausgerichteten Linie (2b) und entlang der Achse 36 (2c). Wie in 2b und 2c erkennbar ist, umfasst zumindest ein Teilabschnitt 32a der Feder 32 einen aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 42 gebildeten/ herausstrukturierten ein- oder mehrteiligen Federteilbereich 44 und einen aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 gebildeten/herausstrukturierten stegförmigen Bereich 48. Die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht 42 und/oder die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 können beispielsweise jeweils eine Siliziumschicht/Polysiliziumschicht sein. Eine Schichtdicke der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 kann wahlweise um zumindest einen Faktor von 2, insbesondere um zumindest einen Faktor von 4, größer als eine Schichtdicke der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 42 sein. Vorzugsweise kontaktiert der ein- oder mehrteiligen Federteilbereich 44 den stegförmigen Bereich 48 an mindestens einer Stelle direkt, wobei lokal mindestens ein Zwischenspalt 49 mit einer Spaltbreite ungleich null zwischen einer zu dem Federteilbereich 44 ausgerichteten Fläche des stegförmigen Bereichs 48 und einer zu dem stegförmigen Bereich 48 ausgerichteten Fläche des Federteilbereichs 44 vorliegen kann.
Der stegförmige Bereich 48 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 weist eine maximale Ausdehnung a entlang einer ersten Raumrichtung x auf, wobei sich die Achse 36 in der ersten Raumrichtung x erstreckt. Zusätzlich hat der stegförmige Bereich 48 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 eine maximale Höhe h kleiner als die maximale Ausdehnung a entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung x ausgerichteten zweiten Raumrichtung y, wobei die sensitive Achse 40 des mikromechanischen Bauteils bevorzugter Weise in der zweiten Raumrichtung y ausgerichtet ist. Außerdem weist der stegförmige Bereich 48 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 eine konstante Breite b_c kleiner als die maximale Höhe h entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung x und der zweiten Raumrichtung y ausgerichteten dritten Raumrichtung z auf. Unter zumindest dem Teilabschnitt 32a der Feder 32 ist somit zumindest ein Bereich der Feder 32 zu verstehen, in welchem der stegförmige Bereich 48 tatsächlich die konstante Breite b_c hat.
Zusätzlich ist für den ein- oder mehrteiligen Federteilbereich 44 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 ein maximaler Abstand Δ zwischen einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung z ausgerichteten ersten Außenfläche 44a des Federteilbereichs 44 und einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung z ausgerichteten zweiten Außenfläche 44b des Federteilbereichs 44 definierbar. Als die erste Außenfläche 44a und die zweite Außenfläche 44b sind jeweils die Außenflächen 44a und 44b des Federteilbereichs 44 definiert, welche die dritte Raumrichtung z senkrecht schneidet und welche eine maximale Distanz zueinander als den maximale Abstand Δ haben.
Außerdem ist der Federteilbereich 44 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 derart geformt, dass der maximale Abstand Δ um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstante Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 ist. Bei dem mikromechanischen Bauteil der 2a bis 2c haben deshalb seine Federn 32 jeweils ein Feder-Design, welches eine geringe Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 bei deren Torsion um die Achse 36/die erste Raumrichtung x aufweist und gleichzeitig eine hohe Biegesteifigkeit Π_y/z gegenüber einer Verbiegung der jeweiligen Feder 32 aus ihrer Ausgangsform in jede der Raumrichtungen y und z hat. Das Feder-Design der Federn 32 gewährleistet auch eine hohe Dehn- und Stauchungssteifigkeit der jeweiligen Feder 32 aus ihrer Ausgangsform gegenüber einer Dehnung oder Stauchung der jeweiligen Feder 32 in die erste Raumrichtung x.
Die mittels der Federn 32 an der Halterung 34 angebundene seismische Masse 30 kann deshalb relativ empfindlich auf eine Beschleunigung mit einer entlang der sensitiven Achse 40 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich null mit einer Kippbewegung der seismischen Masse 30 um die Achse 36 reagieren, während andere unerwünschte Verstellbewegungen der seismischen Masse 30, wie insbesondere Linear- und Drehbewegungen der seismischen Masse 30 in einer senkrecht zu der sensitiven Achse 40 ausgerichteten Ebene, aufgrund des vorteilhaften Feder-Designs der Federn 32 unterbunden sind. Die Geometrieparameter der Federn 32 verbessern deshalb deren Verwendbarkeit als Torsionsfedern.
Der maximale Abstand Δ kann um zumindest einen Faktor von 2, insbesondere um zumindest einen Faktor von 2,5, speziell um zumindest einen Faktor von 3, größer als die konstante Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 sein. Die hier genannten Geometrieparameter der Federn 32 bewirken eine relativ geringe Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 bei deren Torsion um die Achse 36/die erste Raumrichtung x und gleichzeitig eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit Π_y/z gegenüber einer Verbiegung der jeweiligen Feder 32 aus ihrer Ausgangsform in jede der Raumrichtungen y und z.
Optionaler Weise kann das mikromechanische Bauteil noch zumindest einen Rest eines Substrats 50 umfassen. Vorzugsweise sind in diesem Fall zumindest der ein- oder mehrteilige Federteilbereich 44 aus der auf und/oder über einer Substratoberfläche des Substrats 50 gebildeten ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 42 und zumindest der stegförmige Bereich 48 aus der auf und/oder über der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 42 gebildeten zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht 46 herausstrukturiert. Der Federteilbereich 44 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 liegt dann zwischen dem stegförmigen Bereich 48 und zumindest dem Rest des Substrats 50. Die seismische Masse 30 kann damit relativ empfindlich auf eine Beschleunigung mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche des Substrats 50 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich null mit ihrer Kippbewegung um die Achse 36 reagieren, während insbesondere unerwünschte Linear- und Drehbewegungen der seismischen Masse 30 in der parallel zu der Substratoberfläche des Substrats 50 ausgerichteten Ebene unterbunden sind.
In dem Beispiel der 2a bis 2c ist der Federteilbereich 44 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 einteilig ausgebildet. Außerdem weist der Federteilbereich 44 entlang der dritten Raumrichtung z eine maximale Breite bmax als maximalen Abstand Δ zwischen seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung z ausgerichteten ersten Außenfläche 44a und seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung z ausgerichteten zweiten Außenfläche 44b auf, welche um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstante Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 ist. Die entlang der dritten Raumrichtung z ausgerichtete maximale Breite bmax des Federteilbereichs 44 kann insbesondere um zumindest einen Faktor von 2, speziell um zumindest einen Faktor von 2,5, größer als die konstante Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 sein. Die Verdopplung der maximalen Breite bmax gegenüber der konstanten Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 führt beispielsweise zu einer deutlichen Erhöhung der Biegesteifigkeit Π_y/z der jeweiligen Feder 32 gegenüber einer Verbiegung aus ihrer Ausgangsform in jede der Raumrichtungen y und z, während die Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 gegenüber dem in den 1a und 1b dargestellten Stand der Technik um weniger als 20% gesteigert ist. Bei einer Verdopplung der maximalen Breite bmax gegenüber der konstanten Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 nimmt ein Quotient aus der Biegesteifigkeit Π_y/z gegenüber einer Verbiegung in jede der Raumrichtungen y und z geteilt durch die Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 gegenüber dem in den 1a und 1b dargestellten Stand der Technik um zumindest einen Faktor zwischen 50% und 100% zu.
3 zeigt eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei dem in 3 als Querschnitt entlang einer senkrecht zu der Achse 36 ausgerichteten Linie durch eine seiner Federn 32 schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteil umfasst der aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht 42 gebildete Federteilbereich 44 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32
einen parallel zu der ersten Raumrichtung x ausgerichteten ersten Federbalken 52a und einen parallel zu der ersten Raumrichtung x ausgerichteten zweiten Federbalken 52b. Auch eine derartige Ausbildung des Federteilbereichs 44 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 gewährleistet eine relativ geringe Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 bei deren Torsion um die Achse 36/die erste Raumrichtung x und gleichzeitig eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit Π_y/z gegenüber einer Verbiegung der jeweiligen Feder 32 aus ihrer Ausgangsform in jede der Raumrichtungen y und z. Insbesondere ist die Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 gegenüber dem in den 1a und 1b dargestellten Stand der Technik um weniger als 20% gesteigert, weshalb die jeweilige Feder 32 vorteilhaft als Torsionsfeder einsetzbar ist. Der maximale Abstand Δ zwischen der ersten Außenfläche 44a des ersten Federbalkens 52a und der zweiten Außenfläche 44a des zweiten Federbalkens 52a kann um zumindest einen Faktor von 2, insbesondere um zumindest einen Faktor von 5, speziell um zumindest einen Faktor von 10, größer als die konstante Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 sein.
Der erste Federbalken 52a zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 und der zweite Federbalken 52b zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 weisen vorzugsweise jeweils eine konstante Balkenbreite b₅₂ entlang der dritten Raumrichtung z auf. Die Balkenbreite b₅₂ ist vorteilhafter Weise größer-gleich der konstanten Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48. Eine (nicht skizzierte) maximale Höhe des ersten Federbalkens 52a zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 entlang der zweiten Raumrichtung y kann gleich einer (nicht dargestellten) maximalen Höhe des zweiten Federbalkens 52b zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 entlang der zweiten Raumrichtung y sein. Außerdem kann ein Balkenabstand δ des ersten Federbalkens 52a zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 zu einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung z ausgerichteten und den stegförmigen Bereich 48 mittig schneidenden Ebene 54 gleich einem Balkenabstand δ des zweiten Federbalkens 52b zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 zu der Ebene 54 sein. Bevorzugter Weise ist in diesem Fall der Balkenabstand δ zu der Ebene 54 größer-gleich der Balkenbreite b₅₂. Beispielsweise kann der Balkenabstand δ zu der Ebene 54 um zumindest einen Faktor 2, insbesondere um einen Faktor 3, speziell um einen Faktor 4, größer-gleich der Balkenbreite b₅₂ sein. Bei einer Balkenbreite b₅₂ gleich der konstanten Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 und einem Balkenabstand δ von dem Dreifachen der Balkenbreite b₅₂ ergibt sich eine Erhöhung des Quotienten aus der Biegesteifigkeit Π_y/z gegenüber einer Verbiegung in jede der Raumrichtungen y und z geteilt durch die Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 gegenüber dem in den 1a und 1b dargestellten Stand der Technik um bis zu einen Faktor zwischen 200% und 300%.
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 3 und ihrer Vorteile wird auf die Beschreibung der Ausführungsform der 2a bis 2c verwiesen.
4a und 4b zeigen schematische Teildarstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
4a zeigt eine Draufsicht auf einen Teilabschnitt 32a einer der Federn 32 des mikromechanischen Bauteils, während in 4b ein Querschnitt durch die jeweilige Federn 32 entlang einer senkrecht zu der Achse 36 ausgerichteten Linie B-B' der 4a dargestellt ist. Erkennbar ist, dass bei dem mikromechanischen Bauteil der 4a und 4b der Federteilbereich 44 zumindest des Teilabschnitts 32a der Feder 32 mindestens einen parallel zu der dritten Raumrichtung z ausgerichteten Verbindungsbalken 56 umfasst, über welchen der erste Federbalken 52a mit dem zweiten Federbalken 52b verbunden ist. Auch in diesem Fall kann der maximale Abstand Δ zwischen der ersten Außenfläche 44a des ersten Federbalkens 52a und der zweiten Außenfläche 44a des zweiten Federbalkens 52a um zumindest einen Faktor von 2, insbesondere um zumindest einen Faktor von 5, speziell um zumindest einen Faktor von 10, größer als die konstante Breite b_c des stegförmigen Bereichs 48 sein.
Auch mittels des in 4a und 4b dargestellten Feder-Designs ist der Quotient aus der Biegesteifigkeit Π_y/z gegenüber einer Verbiegung in jede der Raumrichtungen y und z geteilt durch die Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 gegenüber dem in den 1a und 1b dargestellten Stand der Technik um bis zu einen Faktor zwischen 200% und 300% steigerbar. Zusätzlich ist trotz des mindestens einen Verbindungsbalkens 56 die Torsionssteifigkeit Π_tor der jeweiligen Feder 32 gegenüber dem in den 1a und 1b dargestellten Stand der Technik um weniger als 20% erhöht, weshalb die Feder 32 weiterhin vorteilhaft als Torsionsfeder geeignet ist.
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 4a und 4b und ihrer Vorteile wird auf die Beschreibung der vorausgehenden Ausführungsformen verwiesen.
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile eignen sich vorteilhaft zur Verwendung in einer Sensorvorrichtung. Insbesondere eignen sich die mikromechanischen Bauteile gut zur Verwendung in einem Beschleunigungssensor, dessen sensitive Achse 40 senkrecht zu dem Substrat 50 ausgerichtet ist. Ein derartiger Beschleunigungssensor reagiert vergleichsweise empfindlich auf eine nachzuweisende/zu messende Beschleunigung mit einer Beschleunigungskomponente ungleich null entlang seiner sensitive Achse 40 mit einer Kippbewegung der seismischen Masse 30 um die Achse 36, während unerwünschte Verstellbewegungen der seismischen Masse 30, wie insbesondere Linear- und Drehbewegungen der seismischen Masse 30 in einer senkrecht zu der sensitiven Achse 40 ausgerichteten Ebene, aufgrund des vorteilhaften Feder-Designs der zumindest einen Feder 32 unterbunden sind. Der Beschleunigungssensor weist darum eine relativ hohe Messempfindlichkeit und Messgenauigkeit und eine vergleichsweise geringe Fehlersignalrate auf.
5 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung.
Bei einem Ausführen des hier beschrieben Herstellungsverfahrens wird eine seismische Masse mittels zumindest einer Feder derart an einer Halterung des mikromechanischen Bauteils angebunden, dass die seismische Masse unter Verformung zumindest der Feder in Bezug zu der Halterung verstellbar ist. Als Verfahrensschritt S1 wird dazu ein ein- oder mehrteiliger Federteilbereich zumindest eines Teilabschnitts der Feder aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet/herausstrukturiert. Als Verfahrensschritt S2 wird außerdem ein stegförmiger Bereich zumindest des Teilabschnitts aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet/herausstrukturiert. Beim Ausführen des Verfahrensschritts S2 wird der stegförmige Bereich zumindest des Teilabschnitts der Feder mit einer maximalen Ausdehnung entlang einer ersten Raumrichtung, einer maximalen Höhe kleiner als die maximale Ausdehnung entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Raumrichtung und einer konstanten Breite kleiner als die maximale Höhe entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung ausgerichteten dritten Raumrichtung ausgebildet. In dem Verfahrensschritt S1 wird der ein- oder mehrteilige Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder derart ausgebildet, dass für den Federteilbereich ein maximaler Abstand zwischen einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung ausgerichteten ersten Außenfläche des Federteilbereichs und einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Außenfläche des Federteilbereichs definierbar ist. Außerdem wird der ein- oder mehrteilige Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder zusätzlich derart ausgebildet, dass der maximale Abstand um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstanten Breite des stegförmigen Bereichs ist.
Das mittels der Verfahrensschritte S1 und S2 hergestellte mikromechanische Bauteil weist somit die oben schon aufgezählten Vorteile auf. Die Verfahrensschritte S1 und S2 können in beliebiger zeitlicher Reihenfolge, zeitlich überschneidend oder gleichzeitig ausgeführt werden.
Optionaler Weise kann als Verfahrensschritt S0a von den Verfahrensschritten S1 und S2 zuerst die erste Halbleiter- und/oder Metallschicht auf und/oder über einem Substrat gebildet werden. Anschließend kann als Verfahrensschritt S0b die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht (direkt oder indirekt) auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht gebildet werden. Dies stellt sicher, dass nach dem Bilden/Herausstrukturieren des Federteilbereichs zumindest des Teilabschnitts der Feder aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht und nach dem Bilden/Herausstrukturieren des stegförmigen Bereichs aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht der Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder zwischen dem stegförmigen Bereich um zumindest einem Rest des Substrats liegt.
Wie oben bereits erläutert ist, kann der Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder einteilig und mit einer entlang der dritten Raumrichtung ausgerichteten maximalen Breite als maximalen Abstand zwischen seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung ausgerichteten ersten Außenfläche und seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Außenfläche ausgebildet werden, wobei die maximale Breite des Federteilbereichs zumindest des Teilabschnitts der Feder um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstante Breite des stegförmigen Bereichs ist. Alternativ kann der Federteilbereich zumindest des Teilabschnitts der Feder jedoch auch zumindest mit einem parallel zu der ersten Raumrichtung ausgerichteten ersten Federbalken und mit einem parallel zu der ersten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Federbalken ausgebildet werden. Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können somit mittels des hier erläuterten Herstellungsverfahrens produziert werden. Eine Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens ist jedoch nicht auf das Produzieren dieser mikromechanischen Bauteile beschränkt.

Claims

Mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit: einer seismischen Masse (30), welche über zumindest eine Feder (32) derart an einer Halterung (34) des mikromechanischen Bauteils angebunden ist, dass die seismische Masse (30) unter Verformung zumindest der Feder (32) in Bezug zu der Halterung (34) verstellbar ist; wobei zumindest ein Teilabschnitt (32a) der Feder (32) einen aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (42) gebildeten ein- oder mehrteiligen Federteilbereich (44) und einen aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (46) gebildeten stegförmigen Bereich (48) umfasst, wobei der stegförmige Bereich (48) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) eine maximale Ausdehnung (a) entlang einer ersten Raumrichtung (x), eine maximale Höhe (h) kleiner als die maximale Ausdehnung (a) entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung (x) ausgerichteten zweiten Raumrichtung (y) und eine konstante Breite (b_c) kleiner als die maximale Höhe (h) entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung (x) und der zweiten Raumrichtung (y) ausgerichteten dritten Raumrichtung (z) aufweist, und wobei für den ein- oder mehrteiligen Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) ein maximaler Abstand (Δ) zwischen einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten ersten Außenfläche (44a) des Federteilbereichs (44) und einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten zweiten Außenfläche (44b) des Federteilbereichs (44) definierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) derart geformt ist, dass der maximale Abstand (Δ) um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstante Breite (b_c) des stegförmigen Bereichs (48) ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei der Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) einteilig ausgebildet ist und eine entlang der dritten Raumrichtung (z) ausgerichtete maximale Breite (bmax) als maximalen Abstand (Δ) zwischen seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten ersten Außenfläche (44a) und seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten zweiten Außenfläche (44b) aufweist, welche um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstante Breite (b_c) des stegförmigen Bereichs (48) ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei der Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) zumindest einen parallel zu der ersten Raumrichtung (x) ausgerichteten ersten Federbalken (52a) und einen parallel zu der ersten Raumrichtung (x) ausgerichteten zweiten Federbalken (52b) umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3, wobei für der erste Federbalken (52a) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) und der zweite Federbalken (52b) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) jeweils eine konstante Balkenbreite (b₅₂) entlang der dritten Raumrichtung (z) aufweisen, und wobei ein Balkenabstand (δ) des ersten Federbalkens (52a) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) und des zweiten Federbalkens (52b) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) zu einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten und den stegförmigen Bereich (48) mittig schneidenden Ebene (54) größer-gleich der Balkenbreite (b₅₂) ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) mindestens einen parallel zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten Verbindungsbalken (56) umfasst, über welchen der erste Federbalken (52a) mit dem zweiten Federbalken (52b) verbunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil zumindest einen Rest eines Substrats (50) umfasst, und wobei der Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) zwischen dem stegförmigen Bereich (48) und zumindest dem Rest des Substrats (50) liegt.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Schritten: Anbinden einer seismischen Masse (30) mittels zumindest einer Feder (32) derart an einer Halterung (34) des mikromechanischen Bauteils, dass die seismische Masse (30) unter Verformung zumindest der Feder (32) in Bezug zu der Halterung (34) verstellbar ist; wobei ein ein- oder mehrteiliger Federteilbereich (44) zumindest eines Teilabschnitts (32a) der Feder (32) aus einer ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (42) gebildet wird (S1) und ein stegförmiger Bereich (48) zumindest des Teilabschnitts (32a) aus einer zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (46) gebildet wird (S2), wobei der stegförmige Bereich (48) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) mit einer maximalen Ausdehnung (a) entlang einer ersten Raumrichtung (x), einer maximalen Höhe (h) kleiner als die maximale Ausdehnung (a) entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung (x) ausgerichteten zweiten Raumrichtung (y) und einer konstanten Breite (b_c) kleiner als die maximale Höhe (h) entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung (x) und der zweiten Raumrichtung (y) ausgerichteten dritten Raumrichtung (z) ausgebildet wird, und wobei der ein- oder mehrteilige Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) derart ausgebildet wird, dass für den Federteilbereich (44) ein maximaler Abstand (Δ) zwischen einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten ersten Außenfläche (44a) des Federteilbereichs (44) und einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten zweiten Außenfläche (44b) des Federteilbereichs (44) definierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der ein- oder mehrteilige Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) zusätzlich derart ausgebildet wird, dass der maximale Abstand (Δ) um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstanten Breite (b_c) des stegförmigen Bereichs (48) ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 mit den zusätzlichen Schritten: Bilden der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (42) auf und/oder über einem Substrat (50)(S0a); und Bilden der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (46) auf einer von dem Substrat (50) weg gerichteten Seite der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (42)(S0b); so dass nach dem Bilden des Federteilbereichs (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) aus der ersten Halbleiter- und/oder Metallschicht (42) und dem Bilden des stegförmigen Bereichs (48) aus der zweiten Halbleiter- und/oder Metallschicht (44) der Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) zwischen dem stegförmigen Bereich (48) um zumindest einem Rest des Substrats (50) liegt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) einteilig und mit einer entlang der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten maximalen Breite (bmax) als maximalen Abstand (Δ) zwischen seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten ersten Außenfläche (44a) und seiner senkrecht zu der dritten Raumrichtung (z) ausgerichteten zweiten Außenfläche (44b), welche um zumindest einen Faktor von 1,5 größer als die konstante Breite (b_c) des stegförmigen Bereichs (48) ist, ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Federteilbereich (44) zumindest des Teilabschnitts (32a) der Feder (32) zumindest mit einem parallel zu der ersten Raumrichtung (x) ausgerichteten ersten Federbalken (52a) und mit einem parallel zu der ersten Raumrichtung (x) ausgerichteten zweiten Federbalken (52b) ausgebildet wird.