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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung für ein mikromechanisches Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Dämpfungsvorrichtung für ein mikromechanisches Bauelement.
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Stand der Technik
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US 2018/0217179 A1 offenbart kapazitive Beschleunigungsmesser mit einer Masse mit Dämpfungselementen, die mit an einem Substrat angeordneten Dämpfungselementen zu Dämpfungszwecken interagieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte mikromechanische Dämpfungsvorrichtung für ein mikromechanisches Bauelement bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung, aufweisend:
- - ein bewegliches seismisches Massenelement; und
- - eine unbewegliche Anbindungseinrichtung; wobei
- - das seismische Massenelement und die Anbindungseinrichtung jeweils definiert schräg zu einer in Längsausrichtung des seismischen Massenelements ausgebildeten Auslenkungsrichtung kammartige Dämpfungselemente aufweisen, mittels derer bei einer Auslenkung des seismischen Massenelements relativ zur Anbindungseinrichtung eine Squeeze-Film-Dämpfung für das seismische Massenelement bereitstellbar ist.
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Vorteilhaft kann auf diese Weise eine Dämpfungswirkung gut dimensioniert werden, was durch eine Schrägstellung der Dämpfungselemente unterstützt ist.
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Zum Beispiel kann ein mit der vorgeschlagenen Dämpfungsvorrichtung ausgestatteter Sensor einen Kammkondensator mit großen Auslenkungswegen aufweisen. Vorteilhaft wird bei einem derartigen Kammkondensator eine Fläche linear mit der Auslenkung generiert, was eine Generierung eines sehr gleichmäßigen, linearen elektrischen Signals unterstützt. Bei Auslenkung wird das Gap zwischen den Dämpfungselementen kleiner, wodurch eine gute Dämpfungswirkung unterstützt ist. Vorteilhaft kann die Dämpfungsvorrichtung für einen Sensor mit einer Kammelektrode mit einer linearen Kraftwirkung ohne Snap-in Effekt eingesetzt werden. Mit der vorgeschlagenen Dämpfungsvorrichtung ist auch eine gute Dämpfung von Rotationsmoden unterstützt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines beweglichen seismischen Massenelements;
- - Bereitstellen einer unbeweglichen Anbindungseinrichtung; wobei für das seismische Massenelement und für die Anbindungseinrichtung jeweils definiert schräg zu einer in Längsausrichtung des seismischen Massenelements ausgebildeten Auslenkungsrichtung kammartige Dämpfungselemente ausgebildet werden, mittels derer bei einer Auslenkung des seismischen Massenelements relativ zur Anbindungseinrichtung eine Squeeze-Film-Dämpfung für das seismische Massenelement bereitstellbar ist.
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Bevorzugte Weiterbildungen der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass Winkel der Dämpfungselemente in Relation zur Detektionsrichtung in Abhängigkeit von einer Auslenkbarkeit der seismischen Masse definiert ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine Dämpfungswirkung einstellbar, weil durch die Schrägstellung ein Abstand kleiner wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Winkel der Dämpfungselemente in Relation zur Detektionsrichtung von ca. 0.2 Grad bis ca. 60 Grad, vorzugsweise zwischen ca. 0.5 Grad bis ca. 20 Grad, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 Grad betragen. Es hat sich herausgestellt, dass mit den vorgeschlagenen Winkelwerten gute Dämpfungswerte realisiert werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ferner eine Begrenzungsstruktur zum definiert begrenzten Auslenken des seismischen Massenelements aufweist. Dadurch ist unterstützt, dass das seismische Massenelement nicht in der Dämpfungsstruktur anschlägt bzw. aneinander schrammt. Vorteilhaft kann dadurch ein Kontakt vermieden werden, der zu einem Kleben führen könnte.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Dämpfungsvorrichtung ein nichtlineares Dämpfungsverhalten aufweist. Dadurch wird das System erst bei einer starken Auslenkung aktiv, wodurch das System nicht allzu stark in Anschlag fahren kann. Vorteilhaft ist dadurch eine schwach gedämpfte hohe Grundfrequenz und bei einer hohen externen Belastung (z.B. bei einem Aufprall) eine hohe Dämpfungswirkung unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die beweglichen Dämpfungselemente in Detektionsrichtung in Randbereichen des seismischen Massenelements angeordnet sind. Dies bedeutet, dass bei einem mit der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung ausgestatteten mikromechanischen Bauelement in Form eines Sensors die Detektionselektroden (z.B. Kammelektroden) und Standarddämpfungsstrukturen in Innenbereichen angeordnet sind. Auf diese Weise kann z.B. auch eine Rotationsbewegung gut gedämpft werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Höhe der Dämpfungselemente zwischen ca. 2 µm und ca. 600 µm, insbesondere zwischen ca. 4 µm und 100 µm besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 40 µm beträgt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass im Ruhezustand des seismischen Massenelements eine Gapweite zwischen den beweglichen und feststehenden Dämpfungselementen ca. 0,1 µm und 30 µm, insbesondere zwischen 0,2 µm und 5 µm und besonders bevorzugt zwischen 0.8 µm bis 2 µm beträgt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass Dämpfungselemente Abschnitte aufweisen, die mit unterschiedlichen Winkel in Relation zur Detektionsrichtung zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Art „vogelfederartigen Aufbau“ der Dämpfungselemente realisiert, der bei unterschiedlichen Auslenkungen unterschiedlich aktiv wird. Teilbereiche werden erst bei einer starken Auslenkung aktiv, wodurch unterstützt ist, dass das Gesamtsystem nicht zu stark in Anschlag fahren kann. Dies bedeutet im Ergebnis eine schwach gedämpfte hohe Grundfrequenz. Wenn allerdings der Sensor fallen gelassen wird, geht sehr viel Energie ins System und es werden spezifische Dämpfungselemente aktiv. Vorteilhaft lässt sich auf diese Weise eine hohe Beschleunigungsenergie effektiv dämpfen.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend die mikromechanische Dämpfungsvorrichtung ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine Querschnittsansicht durch einen herkömmlichen mikromechanischen Beschleunigungssensor;
- 2 und 3 Draufsichten auf einen herkömmlichen mikromechanischen Beschleunigungssensor in unterschiedlichen Betriebszuständen;
- 4-7 Draufsichten auf Ausführungsformen der vorgeschlagenen mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung; und
- 8 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer vorgeschlagenen mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmlichen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit MEMS-Strukturen 7, die aus einer dicken Polysilizium-Funktionsschicht 2 herausgeätzt werden, wobei die MEMS-Strukturen 10 über dünnen vergrabenen Polysiliziumschichten 3 angeordnet werden. Diese sind ihrerseits mit einer Oxidschicht auf einem Substrat 1 verankert. Die vergrabene Polysiliziumschicht 3 dient als elektrische Leiterbahn oder als Elektrode. Die Polysilizium-Funktionsschicht 2 wird über einen Trenchprozess und ein Oxid-Opferschichtverfahren freigestellt. Die vergrabene Polysilizium-Schicht 3 ist über eine Oxidschicht 2 elektrisch vom Substrat 1 getrennt. Die Leiterbahnen und Elektroden werden derart breit ausgelegt, dass sie im Oxid-Opferoxidätzschritt nicht vollständig unterätzt wird und so stabil am Substrat 1 verankert sind.
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Die derart hergestellten mikromechanischen Strukturen 7 werden meist in der weiteren Prozessfolge mit einem Kappenwafer 6 versiegelt, wobei je nach Anwendung innerhalb des verschlossenen Volumens ein geeigneter Druck eingeschlossen wird. Der Bondverschluss 5 erfolgt meist über ein Seal-Glas-Bond-Verfahren oder über ein eutektisches Bondverfahren, beispielsweise mit AlGe.
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Bei einem herkömmlichen mikromechanischen Beschleunigungssensor gemäß 1 muss zum Auswerten der Kapazität eine elektrische Spannung zwischen die Elektroden angelegt werden, die eine Kraft auf die MEMS-Struktur 7 ausübt, wobei die Kraft reziprok mit dem Abstand zwischen den Elektroden zunimmt. Eine Rückstellkraft nimmt nur linear mit der Auslenkung zu. Bei einer Auslenkung von typischerweise einem Drittel der Gap-Weite überwiegt die elektrische Kraft, wodurch es zum sogenannten Snap-In-Effekt kommen kann, bei dem die MEMS-Struktur 7 auf die feststehende Gegenelektrode zu beschleunigt und daran festgehalten wird.
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Der Snap-In-Effekt kann durch Anschläge, die die Bewegungsfreiheit der beweglichen Masse reduzieren, verhindert werden. Die Anschläge begrenzen die Bewegungsfreiheit der beweglichen Masse typisch auf einen Wert, der höchstens einem Drittel der Gap-Weite entspricht.
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Aufgrund dieser geringen maximalen Auslenkung ergeben sich in dem erläuterten konventionellen Auswertekonzept folgende Nachteile:
- - Geringe Auslenkung bedeutet auch geringe Rückstellkräfte, wodurch eine Klebeneigung im Anschlag nach einer Überlastbelastung sehr hoch sein kann
- - Verbiegungen des Substrats durch Einflüsse von außen können die Elektrodenabstände minimal verändern und können aufgrund der geringen Elektrodenabstände zu großen elektrischen Fehlsignalen führen
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2 zeigt eine Draufsicht auf einen herkömmlichen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem in der Polysilizium-Funktionsschicht 4 (nicht dargestellt) ausgebildeten freistehenden Massenelement 10, welches über eine oder mehrere Federn 20, die meist ebenfalls in der Polysilizium-Funktionsschicht 4 ausgebildet wird, am Substrat 1 fixiert ist. Um die Auslenkung des freistehenden Massenelements 10 bei einer extern anliegenden Beschleunigung messen zu können, wird meist die Kapazitätsänderung zwischen dem beweglichen Massenelement 10 und am Substrat 1 fest verankerten Detektions- bzw. Gegenelektroden 30, 31 detektiert.
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Nachteilig an dieser Anordnung kann sein, dass man aufgrund der Abhängigkeit der Kapazität eines Plattenkondensators zum Reziprok-Wert des Plattenabstands ein stark nichtlineares Signal bekommen kann.
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Vorteilhaft an dieser herkömmlichen Anordnung ist, dass damit Sensoren mit hoher Dämpfung, zumindest in Detektionsrichtung D hergestellt werden können. Einerseits sorgen schon die Anordnung der Detektionselektroden mit dem geringen Gap-Abstand zur beweglichen Masse für eine schon hohe Dämpfung und es besteht jederzeit die Möglichkeit, weitere feststehende Dämpfungselemente 21 einzubringen, die gegenüber dem beweglichen Massenelement 10 positioniert werden.
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Liegen diese dämpfenden Strukturen auf gleichem elektrischem Potential wie die bewegliche Struktur, so wirken zwischen den Dämpfungselementen 21 keine elektrostatischen Kräfte und der Abstand zwischen diesen Strukturen kann besonders klein gewählt werden. Die Dämpfungselemente 21 werden dabei wie die Detektionselektroden 30, 31 in senkrechter Richtung zur Detektionsrichtung D angeordnet. Bei einer Schwingung des seismischen Massenelements 10 muss Gas zwischen den Dämpfungselementen 21 verdrängt werden, wobei dies zu einer besonders starken Dämpfung der Bewegung, der sogenannten Squeeze-Film-Dämpfung, führt.
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Charakteristisch für dieses Dämpfungsverhalten ist, dass die Dämpfung sich reziprok zur dritten Potenz des Abstandes der Dämpfungselemente 21 verhält. Man kann daher mit sehr kleinen Anständen zwischen den Dämpfungselementen 21 eine sehr hohe Dämpfung erzielen.
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3 zeigt den konventionellen Beschleunigungssensor von 2 in ausgelenktem Zustand, wobei man erkennt, dass dadurch Abstände zwischen den Dämpfungselementen 21 und dem seismischen Massenelement 10 gegenüber 2 verändert sind.
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Die derart erreichte hohe Dämpfung beim herkömmlichen Beschleunigungssensor ist wünschenswert, da dadurch das System auf eine von außen anliegende Schwingung nicht in Resonanz geraten und das bewegliche Massenelement 10 nicht in eine unkontrollierte Bewegung geraten soll.
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Vorgeschlagen wird eine MEMS-Dämpfungsstruktur bzw. eine Dämpfungsvorrichtung für bewegliche Strukturen mit großer Bewegungsfreiheit, die bei kleiner Masse und Fläche eine hohe Dämpfungswirkung entfalten kann, ohne dabei die Bewegungsfreit des Systems einzuschränken.
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Dabei ist vorgesehen, dass die vorgeschlagene Dämpfungsvorrichtung 100 auch in andere Richtungen als der Detektionsrichtung D eine hohe Dämpfungswirkung bereitstellen kann.
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Weiterhin ist bei der vorgeschlagenen Dämpfungsvorrichtung 100 vorgesehen, dass ein Dämpfungsverhalten über die Auslenkung konstruktiv beeinflusst werden kann.
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Zu diesem Zweck werden kammartige, schräg zur Bewegungsrichtung D des seismischen Massenelements 10 gestellte bewegliche Dämpfungselemente 11, 21 vorgeschlagen, wie es in den Ansichten a) und b) von 4 prinzipiell angedeutet ist. Dabei sind erste bewegliche Dämpfungselemente 11 am seismischen Massenelement 10 angeordnet und erste feststehende Dämpfungselemente 21 an das Substrat 1 angebunden. Die Schrägstellung der Dämpfungselemente 11, 21 erlaubt einerseits eine große Bewegungsfreiheit des seismischen Massenelements 10, die über den eingestellten Winkel und den Plattenabstand definiert eingestellt werden kann. Die Schrägstellung bewirkt gerade bei großer Bewegungsfreiheit, dass sich die Dämpfungselemente 11, 21 annähern, wodurch von den Dämpfungselementen 11, 21 neben der schwachen Slide-Film-Dämpfung zusätzlich auch noch eine Squeeze-Film-Dämpfung aufgebaut wird. Je nach Plattenabstand und Winkel, unter denen die Dämpfungselemente 11, 21 zueinander angeordnet sind, lassen sich damit vorteilhaft stark dämpfende Strukturen realisieren.
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Vorgesehen kann sein, eine Länge der Dämpfungselemente 11, 21 bezogen auf eine Dicke der Polysilizium-Funktionsschicht 4 derart zu wählen, dass eine hohe Dämpfungswirkung erreicht werden kann. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Überlapplänge L der Dämpfungselemente 11, 21 größer gewählt wird als eine Dicke der Polysilizium-Funktionsschicht 4.
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Vorgesehen kann auch sein, die Länge der Dämpfungselemente 11, 21 bezogen auf eine Dicke der Polysilizium-Funktionsschicht 4 derart zu wählen, dass eine besonders hohe Dämpfung erreicht wird. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass eine Überlapplänge L der Dämpfungselemente 11, 21 größer gewählt wird als eine Dicke der Polysilizium-Funktionsschicht 4. In einer besonders günstigen Anordnung wird vorgeschlagen, die Überlapplänge L der Dämpfungselemente 11, 21 um einen Faktor zwei größer auszubilden als eine Höhe der Dämpfungselemente 11, 21.
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Eine Höhe der Dämpfungselemente 11, 21 kann dabei zwischen ca. 2µm und ca. 600µm betragen, insbesondere zwischen ca. 4µm und ca. 100µm, in einer besonders bevorzugten Variante zwischen ca. 10µm und ca. 40µm.
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Eine Gapweite im Ruhezustand des seismischen Massenelements 10 zwischen den Dämpfungselementen 11, 21 kann zwischen ca. 0,1 µm und ca. 30µm betragen, insbesondere zwischen ca. 0,2µm und ca. 5µm, in einer besonders günstigen Variante zwischen ca. 0,8µm und ca. 2µm.
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Ein Winkel zwischen einem Teil der Dämpfungselemente 11, 21 und der Detektionsrichtung D kann zwischen ca. 0,2° und ca. 60° betragen, insbesondere kann der Winkel zwischen ca. 0,5° bis ca. 20° betragen, in einer besonders günstigen Variante zwischen ca. 1° bis ca. 5°.
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In einer vorteilhaften Anordnung kann eine Bewegungsfreiheit der Dämpfungselemente 11, 21 in y-Richtung durch Stopperelemente 40 begrenzt sein. In 5 erkennt man, dass Stopperelemente 40 zum Beispiel als Federköpfe realisiert sein können, die bei zu großer Auslenkung des seismischen Massenelements 10 aneinander anschlagen. Damit kann vorteilhaft verhindert werden, dass es zu einem Anschlagen der Dämpfungselemente 11, 21 kommt und diese sich verkeilen.
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Eine Weglänge bis zum Anschlag kann dabei bevorzugt so gewählt werden, dass im Anschlag ein Restabstand zwischen den Dämpfungselementen 11, 21 ca. 1% bis ca. 80% ihres Abstands im Grundzustand beträgt, insbesondere kann die Weglänge derart gewählt sein, dass der Restabstand ca. 5% bis ca. 60% beträgt, in einer besonders günstigen Anordnung kann die Weglänge derart gewählt sein, dass der Restabstand ca. 10% bis ca. 35% des Abstands im Grundzustand beträgt.
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In einer vorteilhaften Variante kann vorgesehen sein, die Dämpfungselemente 11, 21 auf dem gleichen elektrischen Potential wie das bewegliche Massenelement 10 zu betreiben.
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Vorgesehen kann sein, viele Dämpfungselemente 11, 21 einer Ausrichtung miteinander zu kombinieren, so dass dadurch eine sehr kompakte Gesamtstruktur erreicht wird, wie dies qualitativ in der Draufsicht von 4b angedeutet ist.
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Vorgesehen kann ferner sein, Dämpfungselemente 11, 21 gleichen Winkels aber unterschiedlicher absoluter Ausrichtung zur Detektionsrichtung D achsensymmetrisch zu einer Längsachse A des beweglichen Massenelements 10 anzuordnen, wie dies in der Draufsicht von 6 angedeutet ist. Dadurch ist vorteilhaft eine symmetrische Dämpfung bei Auslenkung des seismischen Massenelements 10 unterstützt und es kann dadurch ferner auch eine Bewegungsrichtungsabweichung des seismischen Massenelements 10 von der Detektionsrichtung D weitgehend unterdrückt werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, die Dämpfungselemente 11, 21 auch achsensymmetrisch zu einer Querachse Q anzuordnen, die senkrecht zur Detektionsrichtung D ausgebildet ist, wie in der Draufsicht von 4a angedeutet.
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Erkennbar ist, dass die Dämpfungselemente 11, 21 im Mittel eher in Außenbereichen des beweglichen seismischen Massenelements 10 angeordnet sind. Es wird insbesondere vorgeschlagen, dass ein Trägheitsmoment der ersten beweglichen Dämpfungselemente 11, normiert auf deren Masse, größer ist als das Trägheitsmoment des gesamten beweglichen Massenelements 10, normiert auf dessen Masse. Auf diese Weise kann eine Rotationsbewegung des seismischen Massenelements 10 effizient gedämpft werden.
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Unter einem Kippwinkel wird im Folgenden ein Winkel eines Dämpfungselements 11 in Relation zur Bewegungsrichtung D des seismischen Massenelements 10 verstanden.
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Vorgesehen kann sein, unterschiedliche bewegliche Dämpfungselemente 11, 21 mit unterschiedlichen Abständen und Winkel relativ zur Detektionsrichtung D miteinander zu kombinieren, um auf diese Weise ein besonders sanftes Anschlagen bei Überlast zu erreichen, wie es in der Draufsicht von 6 angedeutet ist. Vorzugsweise werden erste bewegliche Dämpfungselemente 11 mit einem sehr geringen Kippwinkel und kleinen Gaps verwendet, um einen ersten Dämpfungswert über den gesamten Bereich der Bewegungsfreiheit des seismischen Massenelements 10 einzustellen.
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Ferner werden zweite bewegliche Dämpfungselemente 12 mit sehr großen Kippwinkel und großen Gaps genutzt, um erst kurz vor dem Anschlagen des beweglichen Massenelements 10 in Zusammenwirken mit zweiten feststehenden Dämpfungselementen 22 eine sehr hohe Dämpfung zu erreichen. Damit kann bei Überlast von außen die Energie des seismischen Massenelements 10 im Anschlagsfall deutlich reduziert werden und damit beispielsweise eine Zerstörung des beweglichen Massenelements 10 verhindert werden.
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Vorgesehen kann ferner sein, die beweglichen und feststehenden Dämpfungselemente 11, 12, 21, 22 jeweils in einer Kammstruktur, deren Basis im Wesentlichen senkrecht zur Detektionsrichtung D ausgerichtet ist, anzuordnen. Wie in der Draufsicht von 5a und 5b erkennbar, die die Anordnung von 4 in ausgelenktem Zustand zeigt, ist auf diese Weise eine sehr kompakte Anordnung der Dämpfungselemente 11, 12 für hohe Bewegungsfreiheiten unterstützt.
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Vorgesehen kann ferner sein, die Dämpfungselemente 11, 12, 21, 22 in einem „vogelfederartigen Aufbau“, deren Basis im Wesentlichen parallel zur Detektionsrichtung D ausgerichtet ist, anzuordnen. Wie in der Draufsicht von 6 erkennbar, kann damit eine sehr kompakte Anordnung der Anordnung der Dämpfungselemente 11, 12, 21, 22 erreicht werden, die mit einem Winkel von mehr als 45° zur Detektionsrichtung D angeordnet sind.
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Vorgesehen kann weiterhin sein, dass die vorgeschlagenen Dämpfungselemente 11, 21 unter unterschiedlichen Winkel relativ zur Detektionsrichtung D Abschnitte angeordnet sind. Dadurch können besonders kompakte Dämpfungskämme realisiert werden.
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Gleichzeitig ist es günstig, den Abstand zwischen den Dämpfungselementen 11, 12 je nach Winkel variabel auszubilden. Weiterhin günstig bei dieser Anordnung ist es, dass man die Abstandsänderung entweder für die beweglichen Dämpfungselemente 11, 12 oder für die feststehenden Dämpfungselemente 21, 22 vornehmen kann.
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In den drei Draufsichten a), b) und c) von 7 ist erkennbar, dass erste bewegliche Dämpfungselemente 11 abschnittsweise verbreitert und unter anderem Winkel relativ zur Detektionsrichtung D angeordnet sind, um zwischen den Dämpfungselementen 11, 21 den gewünschten Abstand zu erreichen. Das ist besonders günstig, da dadurch auch die Masse des beweglichen seismischen Massenelements 10 erhöht wird und damit eine höhere Empfindlichkeit eines mit der Dämpfungsvorrichtung 100 ausgestatteten Bauelements erreicht werden kann. Die Ansichten 7b) und 7c) zeigen die Anordnung von Ansicht 7a) in unterschiedlichen Betriebszuständen (Ansicht 7b: nach oben bewegt, Ansicht 7c: nach unten bewegt).
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Vorgesehen kann ferner sein, Kammstrukturen K1, K2 der Dämpfungselemente mit unterschiedlicher Ausrichtung räumlich definiert voneinander anzuordnen. Wie in der Draufsicht von 5a erkennbar, kann damit bei Auslenkung des seismischen Massenelements 10 erreicht werden, dass zwischen den Dämpfungselementen 11, 12 und in einem gesamten Kammbereich K2 Gas verdrängt werden muss und vorteilhaft daher ein zusätzlicher Dämpfungseffekt global über den Chip generiert wird.
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Unter anderem ergeben sich mit der vorgeschlagenen mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung 100 dadurch folgende Vorteile:
- - Effektive Dämpfungsstrukturen für Sensoren mit großer Bewegungsfreiheit, insbesondere für Sensoren mit Kamm-Detektions-Elektroden werden dadurch ermöglicht. Im Ergebnis kann für einen mit der Dämpfungsvorrichtung 100 ausgestatteten Sensor eine hohe Dämpfung bei geringem Platzbedarf und geringer Zusatzmasse realisiert werden.
- - Die vorgeschlagenen Dämpfungsvorrichtung 100 dämpft nicht nur in Detektionsrichtung D, sondern in effizienter Weise auch senkrecht zur Detektionsrichtung D, was insbesondere für Sensoren mit Kamm-Antrieb oder Kammdetektion vorteilhaft sein kann.
- - Die vorgeschlagenen Dämpfungsstrukturen dämpfen nicht nur in Detektionsrichtung D, sondern können bei geeigneter Anordnung, d.h. eher an der Außenseite der beweglichen Struktur angeordnet, auch Rotationsmoden des beweglichen Massenelements 10 sehr gut dämpfen.
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8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung 100.
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In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines beweglichen seismischen Massenelements 10.
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In einem Schritt 210 erfolgt ein Bereitstellen einer unbeweglichen Anbindungseinrichtung 20, wobei für das seismische Massenelement 10 und für die Anbindungseinrichtung 20 jeweils definiert schräg zu einer in Längsausrichtung des seismischen Massenelements 10 ausgebildeten Auslenkungsrichtung kammartige Dämpfungselemente 11, 21 ausgebildet werden, mittels derer bei einer Auslenkung des seismischen Massenelements 10 relativ zur Anbindungseinrichtung 20 eine Squeeze-Film-Dämpfung für das seismische Massenelement 10 bereitstellbar ist.
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Es versteht sich von selbst, dass die Reihenfolge der genannten Schritte auch in geeigneter Weise vertauscht werden kann.
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Ein mit der vorgeschlagenen mikromechanischen Dämpfungsvorrichtung 100 ausgerüstetes Bauelement kann z.B. ein Aktuator (z.B. Mikrospiegel) oder ein mikromechanischer MEMS-Sensor sein.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0217179 A1 [0002]
