DE102020215238A1

DE102020215238A1 - Mikromechanische Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur

Info

Publication number: DE102020215238A1
Application number: DE102020215238.1A
Authority: DE
Inventors: Monika Koster; Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-06-02
Also published as: CN116635324A; KR20230110353A; US20230331544A1; WO2022117494A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikromechanische Sensorstruktur (100) mit Dämpfungsstruktur, umfassend ein Substrat (101);eine relativ zum Substrat (101) federnd auslenkbare Masse (103);eine Messeinheit (105) zum Detektieren einer Auslenkung der Masse (103); undeine Dämpfungsstruktur (107) zum Dämpfen einer Auslenkung der Masse (103) mit ineinander greifenden ersten und zweiten Dämpfungskämmen (109, 111), wobei der erste Dämpfungskamm (109) an der Masse (103) angeordnet und der zweite Dämpfungskamm (111) beweglich an einer Umlenkstruktur (113) angeordnet sind, und wobei bei einer Auslenkung der Masse (103) in eine erste Richtung (A1) der zweite Dämpfungskamm (111) über die Umlenkstruktur (113) relativ zum Substrat (101) in eine der ersten Richtung (A1) entgegengesetzte zweite Richtung (A2) bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur.
Stand der Technik
Zur Herstellung von Beschleunigungssensoren werden oft MEMS-Strukturen verwendet, die aus dicken Polysilizium-Funktionsschicht herausgeätzt werden. Diese werden über dünnen vergrabenen Polysiliziumschichten angeordnet. Diese sind ihrerseits mit einer Oxidschicht auf einem Substrat verankert. Die vergrabene Schicht kann hierbei als Leiterbahn oder als Elektrode. dienen Die Funktionsschicht kann ferner über einen Trenchprozess und ein Oxid-Opferschichtverfahren freigestellt werden. Die vergrabene Schicht kann über ein Oxid elektrisch vom Substrat getrennt werden. Die Leiterbahnen und Elektroden können ferner derart breit ausgelegt werden, dass sie im Oxid- Opferoxidätzschritt nicht vollständig unterätzt werden und so stabil am Substrat verankert sind.
Die so hergestellten mikromechanischen Strukturen werden meist in der weiteren Prozessfolge mit einem Kappenwafer versiegelt. Je nach Anwendung kann innerhalb des verschlossenen Volumens ein geeigneter Druck eingeschlossen werden. Der Verschluss kann hierbei über ein Seal-Glas-Bond-Verfahren oder über ein eutektisches Bondverfahren beispielsweise mit AlGe erfolgen.
Bei der Herstellung eines Beschleunigungssensors wird für gewöhnlich eine freistehende auslenkbare Masse in der Funktionsschicht erzeugt, die über Federelemente an dem Substrat fixiert wird. Zur Messung einer Auslenkung der freistehenden Masse relativ zum Substrat aufgrund einer extern anliegenden Beschleunigung werden für gewöhnlich die Kapazitätsänderungen zwischen an der freistehenden Masse angebrachten Elektrodenflächen und am Substrat fest verankerten Elektrodenflächen detektiert. Ein Abstand zwischen den an der beweglichen Masse angeordneten Elektrodenflächen und den feststehenden Elektrodenflächen sollte hierbei möglichst gering gewählt werden, um ein großes kapazitives Signal und damit verbunden eine hohe Anregungsempfindlichkeit des Sensors zu erhalten.
Eine Reaktion der Sensoren auf Vibrationen ist für gewöhnlich unerwünscht, weshalb Sensoren bewusst gedämpft werden. Hierzu können sowohl an der auslenkbaren Masse als auch am Substrat ineinandergreifende Dämpfungskämme vorgesehen werden. Bewegt sich die auslenkbare Masse senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung von Dämpfungsfingern der Dämpfungskämme, so wird der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Dämpfungsfingern verringert und zwischen den Fingern befindliches Fluid komprimiert und aus den Kämmen herausgedrückt. Dieser Vorgang wird als sogenannte Squeeze-Film-Dämpfung bezeichnet. Im Gegensatz zu Slide-Film-Dämpfung, bei der die Masse parallel zur Erstreckungsrichtung der Dämpfungsfinger bewegt wird der Abstand zwischen den Dämpfungsfingern unverändert bleibt, können durch die Squeeze-Film-Dämpfung sehr hohe Dämpfungswerte selbst mit kleinen Kammstrukturen erreicht werden.
Die Dämpfung, die beim Ausströmen eines Fluids zwischen zwei sich aufeinander zu bewegenden Platten erzielt werden kann, ist in erster Näherung direkt proportional zur Viskosität des Fluids und zur Anzahl, Länge der dämpfungsfinger und ist indirekt proportional zur dritten Potenz des Abstands zwischen direkt gegenüberliegenden Fingern.
Dieses Verhalten ist insbesondere für Beschleunigungssensoren günstig. Einerseits müssen die Beschleunigungssensoren sehr weich aufgehängt werden, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Andererseits soll, im Fall einer von au-ßen anliegenden Überlast, die bewegliche Masse nicht mit zu hoher Geschwindigkeit in die feststehenden Strukturen einschlagen und diese dabei schädigen.
Um ein derartiges Einschlagen zu verhindern können Dämpfungsfinger genutzt und derart ausgelegt werden, dass kurz vor Einschlagen der beweglichen Masse in den Dämpfungskämmen sehr geringe Abstände zwischen gegenüberliegenden Dämpfungsfingern entstehen, und damit hohe Dämpfungswirkungen erzielt werden können. Dies ist insbesondere für Sensoren günstig, für die eine sehr starke Dämpfung angestrebt wird.
Eine derartige Umsetzung ist aber für Beschleunigungssensoren, die vorteilhafterweise eine Messempfindlichkeit auch für höhere Frequenzen aufweisen sollen, für die folglich eine starke Dämpfung unvorteilhaft ist, schwierig um zusetzten. Bei einer Erhöhung eines Abstands zwischen den Dämpfungsfingern, sodass im Normalbetrieb lediglich eine geringere Dämpfungswirkung auftritt, müsste auch ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden Messelektroden vergrößert werden, um im starken Auslenkungsfall der Masse weiterhin eine ausreichende Dämpfung zu erhalten und ein Einschlagen der Masse auf die unbeweglichen Strukturen vermeiden zu können. Dies würde jedoch eine starke Reduktion der Empfindlichkeit des Sensors mit sich ziehen. Zwar könnte über eine Vergrößerung der Elektrodenflächen eine Verringerung der Empfindlichkeit ausgeglichen werden. Dies würde aber eine Erhöhung der Masse der beweglichen Masse und damit verbunden eine Energie beim Einschlag der Masse erhöhen, was wiederum eine stärkere Dämpfung benötigen würde.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Mikromechanische Sensorstruktur mit einem verbesserten Dämpfungsverhalten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
Nach einem Aspekt wird eine Mikromechanische Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur bereitgestellt, wobei die Sensorstruktur umfasst:

ein Substrat;
eine relativ zum Substrat federnd auslenkbare Masse;
eine Messeinheit zum Detektieren einer Auslenkung der Masse; und
eine Dämpfungsstruktur zum Dämpfen einer Auslenkung der Masse mit ineinander greifenden ersten und zweiten Dämpfungskämmen, wobei der erste Dämpfungskamm an der Masse angeordnet und der zweite Dämpfungskamm beweglich an einer Umlenkstruktur angeordnet sind, und wobei bei einer Auslenkung der Masse in eine erste Richtung der zweite Dämpfungskamm über die Umlenkstruktur relativ zum Substrat in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt wird.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine mikromechanische Sensorstruktur mit verbessertem Dämpfungsverhalten bereitgestellt werden kann. Über die Dämpfungsstruktur mit ersten und zweiten Dämpfungskämmen, von denen der erste Dämpfungskamm an der auslenkbaren Masse und der zweite Dämpfungskamm beweglich an einer Umlenkstruktur angeordnet sind, kann eine Auslenkung der auslenkbaren Masse aufgrund einer externen Beschleunigung der mikromechanischen Sensorstruktur gedämpft werden. Hierzu greifen die ersten und zweiten Dämpfungskämme mit entsprechenden Dämpfungsfingern ineinander ein und sind gegeneinander beweglich. Über die Umlenkstruktur kann bei einer Auslenkung der auslenkbaren Masse in eine erste Richtung der zweite Dämpfungskamm in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt werden. Aufgrund der Auslenkung der auslenkbaren Masse bewegt sich somit der an der auslenkbaren Masse befestigte erste Dämpfungskamm in Richtung des zweiten Dämpfungskamms. Durch die Umlenkstruktur wird darüber hinaus der zweite Dämpfungskamm in Richtung des ersten Dämpfungskamms bewegt. Aufgrund des gegenseitigen Aufeinander zu Bewegens der ersten und zweiten Dämpfungskämme werden Abstände zwischen den parallel zueinander angeordneten und ineinander greifenden Dämpfungsfingern der ersten und zweiten Dämpfungskämme mit einer höheren Geschwindigkeit verringert, als ein Abstand zwischen ersten und zweiten Messelektroden der Messeinheit.
Hierdurch kann erreicht werden, dass in einem Normalzustand der mikromechanischen Sensorstruktur die ersten und zweiten Dämpfungskämme der Dämpfungsstruktur mit jeweils großen Abständen zwischen den parallel zueinander angeordneten Dämpfungsfingern der ersten und zweiten Dämpfungsstruktur betrieben werden können. Hierdurch kann die mikromechanische Sensorstruktur in einem Normalzustand mit einer geringen Dämpfung betrieben werden, sodass die mikromechanische Sensorstruktur ein hohes Ansprechverhalten aufweist und somit hochfrequente Beschleunigungen detektierbar sind. Bei einer starken Auslenkung der auslenkbaren Masse aufgrund einer Überlast der mikromechanischen Sensorstruktur werden die ersten und zweiten Dämpfungskämme durch die Umlenkstruktur in einer höheren Geschwindigkeit aufeinander zubewegt, als die auslenkbare Masse aufgrund der externen Beschleunigung auf feststehende Strukturen der mikromechanischen Sensorstruktur zubewegt wird.
Hierdurch werden die Abstände zwischen Dämpfungsfingern der ersten und zweiten Dämpfungskämme mit einer höheren Geschwindigkeit verringert, als ein Abstand zwischen ersten und zweiten Messelektroden der Messeinheit. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einer starken Beschleunigung der auslenkbaren Masse aufgrund einer externen Überlast der mikromechanischen Sensorstruktur geringe Abstände zwischen den Dämpfungsfingern der ersten und zweiten Dämpfungskämme der Dämpfungsstruktur erzeugt werden können, wodurch eine hohe Dämpfung der Bewegung der auslenkbaren Masse erreicht wird. Hierdurch kann ein Anschlagen der auslenkbaren Masse an feststehende Strukturen der mikromechanischen Sensorstruktur vermieden werden. Somit kann durch die mikromechanische Sensorstruktur und insbesondere die Umlenkstruktur ein geringes Dämpfungsverhalten im Normalzustand und ein starkes Dämpfungsverhalten bei Überlast der mikromechanischen Sensorstruktur erreicht werden. Aufgrund des möglichen starken Dämpfungsverhaltens bei Überlast können die ersten und zweiten Messelektroden der Messeinheit weiterhin mit geringem Abstand zueinander ausgeführt sein, wodurch eine hohe Messsensitivität der mikromechanischen Sensorstruktur erreicht werden kann.
Nach einer Ausführungsform ist die Umlenkstruktur als eine Wippenstruktur mit einem schwenkbaren Hebelarm ausgebildet, wobei der Hebelarm über ein am Substrat verankertes erstes Federelement schwenkbar gelagert ist, wobei an einem ersten Ende des Hebelarms der zweite Dämpfungskamm angeordnet ist, und wobei der Hebelarm über ein an einem zweiten Ende des Hebelarms angeordnetes zweites Federelement mit der Masse verbunden ist.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine technisch möglichst einfach ausgestaltete Umlenkstruktur bereitgestellt werden kann, die eingerichtet ist, bei einer Auslenkung der auslenkbaren Masse den zweiten Dämpfungskamm in eine der Auslenkrichtung der auslenkbaren Masse entgegengesetzte Richtung zu bewegen.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Mikromechanische Sensorstruktur eine Mehrzahl von Dämpfungsstrukturen.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass das Dämpfverhalten der mikromechanischen Sensorstruktur weiter verbessert werden kann. Durch die Mehrzahl der Dämpfungsstrukturen kann insbesondere bei Überlast der mikromechanischen Sensorstruktur ein verbessertes Dämpfungsverhalten aufgrund der Mehrzahl von ineinandergreifenden Dämpfungskämmen und eine damit verbundene erhöhte Dämpfungsleistung erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform ist die Masse über die ersten Federelemente der Umlenkstrukturen federnd auslenkbar am Substrat befestig.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine vereinfachte Aufhängung der auslenkbaren Masse ermöglicht ist. Durch die Lagerung der auslenkbaren Masse über die ersten Federelemente der Umlenkstruktur ist die auslenkbare Masse federnd auslenkbar mit dem Substrat verbunden. Weitere Federelemente zur auslenkbaren Lagerung der auslenkbaren Masse am Substrat sind somit nicht nötig.
Nach einer Ausführungsform sind die ersten Federelemente der Dämpfungsstrukturen in einer gemeinsamen Verankerungsstruktur mit dem Substrat verbunden.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine möglichst kompakte Bauweise der mikromechanischen Sensorstruktur bereitgestellt werden kann. Durch die Verankerung der Mehrzahl von ersten Federelementen der Mehrzahl von Dämpfungsstrukturen in einer gemeinsamen Verankerungsstruktur kann ferner das Ansprechverhalten der einzelnen ersten Federelemente synchronisiert werden, sodass ein gleichmäßiges Dämpfungsverhalten der Mehrzahl von Dämpfungsstrukturen bereitgestellt werden kann.
Nach einer Ausführungsform umfassen die Dämpfungsstrukturen an einem Randbereich der Masse angeordnet sind und diese wenigstens teilweise; und/oder wobei Dämpfungsstrukturen in einem Innenbereich der Masse angeordnet sind und von der dieser wenigstens teilweise umfasst sind.
Hierdurch kann der technische Vorteil einer kompakten Bauweise der mikromechanischen Sensorstruktur erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform sind zweite Dämpfungskämme benachbarter Dämpfungsstrukturen über ein gemeinsames drittes Federelement miteinander verbunden.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes Dämpfungsverhalten bereitgestellt werden kann. Durch die Verbindung benachbarter zweiter Dämpfungskämme benachbarter Dämpfungsstrukturen durch ein drittes Federelement kann ein Rotationsanteil der Bewegung der zweiten Dämpfungskämme aufgrund der Auslenkung der Umlenkstruktur und insbesondere aufgrund der Auslenkung des Hebelarms der Wippenstruktur verringert werden. Hierdurch kann eine reine Translationsbewegung der zweiten Dämpfungskämme relativ zu den jeweiligen ersten Dämpfungskämmen erreicht werden, sodass die Dämpfungsfinger der jeweils ineinandergreifenden ersten und zweiten Dämpfungskämme einer Dämpfungsstruktur weiterhin parallel angeordnet bleiben können. Hierdurch kann das Dämpfungsverhalten weiter präzisiert werden.
Nach einer Ausführungsform beträgt eine erste Länge eines ersten Abschnitts eines Hebelarms zwischen dem ersten Federelement und dem zweiten Federelement mehr als ein Zweifaches einer zweiten Länge eines zweiten Abschnitts des Hebelarms zwischen dem ersten Federelement und dem dritten Federelement.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass die Dämpfungseigenschaften der Dämpfungsstruktur weiter verbessert werden können. Durch die genannten Abstände verlaufen insbesondere in Kombination eines dritten Federelements, das benachbarte zweite Dämpfungskämme miteinander verbindet, eine möglichst lineare Bewegung der zweiten Dämpfungskämme aufgrund der Auslenkung der Umlenkstruktur.
Nach einer Ausführungsform erstreckt sich der Hebelarm entlang einer zu einer Auslenkrichtung der Masse senkrechten Richtung erstreckt.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein möglichst präzises Ansprechverhalten der als Wippenstruktur ausgebildeten Umlenkstruktur und ein damit verbundenes präzises Dämpfungsverhalten der Dämpfungsstruktur bei Auslenkung der auslenkbaren Masse erreicht werden kann.
Nach einer Ausführungsform beträgt eine Länge eines Hebelarms mehr als 15% eines Durchmessers der Masse.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine möglichst weiche Aufhängung der Dämpfungsstruktur erreicht werden kann. Durch die möglichst weiche Aufhängung der Dämpfungsstruktur wird das Ansprechverhalten der auslenkbaren Masse insbesondere bei geringer Last durch die Dämpfungsstruktur lediglich minimal beeinflusst, sodass ein präzises Messverhalten der mikromechanischen Sensorstruktur erreicht werden kann.
Nach einer Ausführungsform ist über eine Positionierung eines Aufhängungspunktes, an dem der Hebelarm mit dem ersten Federelement verbunden ist, ein Dämpfungsverhalten der Dämpfungsstruktur variierbar.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass das Dämpfungsverhalten der Dämpfungsstruktur variabel einstellbar ist. Über die Positionierung des Aufhängungspunktes des Hebelarms am ersten Federelement kann die Hebelwirkung des Hebelarms variiert werden. Hierdurch kann die Auslenkung des am Hebelarm ausgebildeten zweiten Dämpfungskamms aufgrund einer Auslenkung der auslenkbaren Masse und ein damit verbundenes Dämpfungsverhalten der Dämpfungsstruktur auf die Eigenschaften der jeweiligen mikromechanischen Sensorstruktur angepasst werden.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Messeinheit wenigstens eine am Substrat angeordnete erste Messelektrode und eine der ersten Messelektrode gegenüberliegend an der Masse angeordnete zweite Messelektrode, wobei die ersten und zweiten Dämpfungskämme sich senkrecht zu einer Auslenkrichtung der Masse erstreckende und parallel zu den ersten und zweiten Messelektroden angeordnete erste und zweite Dämpfungsfinger aufweisen, die ein identisches elektrisches Potential aufweisen.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein präzises Dämpfungsverhalten der Dämpfungsstruktur erreicht werden kann. Durch die parallele Ausrichtung der einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfinger kann durch gleichmäßige Variation der Abstände zwischen direkt gegenüberliegenden Dämpfungsfingern ein gleichmäßiges Dämpfungsverhalten der Dämpfungsstruktur erreicht werden. Gleiches gilt für die parallele Anordnung der Dämpfungsfinger zu den gegenüberliegend angeordneten ersten und zweiten Messelektroden, die jeweils in einer senkrecht zur Auslenkrichtung der auslenkbaren Masse orientierten Erstreckungsrichtung angeordnet sind. Über das identische elektrische Potential der ersten und zweiten Dämpfungsfinger der ersten und zweiten Dämpfungskämme kann eine elektrostatische Anziehung zwischen Dämpfungsfingern verhindert und somit das Dämpfungsverhalten verbessert werden.
Nach einer Ausführungsform ist in einer Ruhelage der Masse ein Abstand zwischen unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfingern größer als ein Abstand zwischen unmittelbar gegenüber liegenden ersten und zweiten Messelektroden.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass im Normalzustand der mikromechanischen Sensorstruktur, sprich, bei geringer Auslenkung der auslenkbaren Masse, eine geringe Dämpfungswirkung der Dämpfungsstruktur aufgrund der großen Abstände unmittelbar gegenüberliegender erster und zweiter Dämpfungsfinger ermöglicht ist. Hierdurch ist ein hohes Ansprechverhalten bzw. eine hohe Messgenauigkeit und Sensitivität der mikromechanischen Sensorstruktur auf Beschleunigungen hoher Frequenz erreichbar. Über die oben beschriebene Wirkung der Umlenkstruktur kann der Abstand gegenüberliegender erster und zweiter Dämpfungsfinger bei starker Auslenkung der auslenkbaren Masse mit höherer Geschwindigkeit verringert werden, als ein Abstand zwischen unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Messelektroden, sodass bei starker Auslenkung der auslenkbaren Masse aufgrund einer extern einwirkenden Überlast eine starke Dämpfungswirkung aufgrund eines geringen Abstands zwischen unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfingern erreicht werden kann.
Nach einer Ausführungsform ist die Masse über wenigstens ein Aufhängungsfederelement federnd auslenkbar am Substrat befestigt.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine verbesserte federnd auslenkbare Befestigung der auslenkbaren Masse am Substrat bereitgestellt werden kann.
Nach einer Ausführungsform ist die Mikromechanische Sensorstruktur als ein Beschleunigungssensor oder Drehratensensor oder Mikrospiegel ausgebildet.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein möglichst breites Anwendungsgebiet der mikromechanischen Sensorstruktur mit den oben genannten Vorteilen bereitgestellt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur gemäß einer Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung der Mikromechanischen Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur in 1 in ausgelenktem Zustand;
3 eine weitere schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung der Mikromechanischen Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur in 3 in ausgelenktem Zustand;
5 eine weitere schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 eine weitere schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
7 eine weitere schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur mit Dämpfungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur 100 mit Dämpfungsstruktur gemäß einer Ausführungsform.
In der Ausführungsform in 1 umfasst die mikromechanische Sensorstruktur 100 ein Substrat 101, eine relativ zum Substrat 101 angeordnete federnd auslenkbare Masse 103, eine Messeinheit 105, die eingerichtet ist, eine Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 zu detektieren, und eine Dämpfungsstruktur 107 zum Dämpfen einer Auslenkung der auslenkbaren Masse 103.
In der Ausführungsform in 1 umfasst die Dämpfungsstruktur 107 einen ersten Dämpfungskamm 109 und einen zweiten Dämpfungskamm 111. Der erste Dämpfungskamm 109 ist fest an der auslenkbaren Masse 103 angeordnet. Der zweite Dämpfungskamm 111 ist auslenkbar über eine Umlenkstruktur 113 beweglich angeordnet. Die Umlenkstruktur 113 ist in der gezeigten Ausführungsform als eine Wippenstruktur ausgebildet und umfasst einen Hebelarm 115, der über ein erstes Federelement 117 schwenkbar am Substrat angeordnet ist. An einem ersten Ende des Hebelarms 114 ist der zweite Dämpfungskamm 111 angeordnet, während der Hebelarm 115 über ein am zweiten Ende 116 des Hebelarms 115 angeordnetes zweites Federelement 119 mit der auslenkbaren Masse 103 verbunden ist.
Die ersten und zweiten Dämpfungskämme 109, 111 umfassen jeweils parallel zueinander angeordnete und wechselseitig ineinandergreifende erste und zweite Dämpfungsfinger 127, 129.
In der gezeigten Ausführungsform ist die auslenkbare Masse 103 rechteckig ausgebildet und weist eine erste Seiet S1 und eine zweite Seite S2 auf.
Der erste Dämpfungskamm 109 ist an einer ersten Seite S1 der auslenkbaren Masse 103 mittig angeordnet. Eine Verbindung des Hebelarms 115 der Dämpfungsstruktur 107 über das zweite Federelement 119 erfolgt ebenfalls an einer ersten Seite S1 der auslenkbaren Masse 103, wobei das zweite Federelement 119 an einer äußeren Kante der zweiten Seite S2 der auslenkbaren Masse 103 angeordnet ist.
Die Messeinheit 105 umfasst eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter erster und zweiter Messelektroden 123, 125. Die ersten Messelektroden 123 sind jeweils am Substrat 101 befestigt, während die zweiten Messelektroden 125 an der auslenkbaren Masse 103 angeordnet sind.
In der gezeigten Ausführungsform sind die ersten und zweiten Dämpfungsfinger 127, 129 der ersten und zweiten Dämpfungskämme 109, 111 jeweils parallel zueinander als auch parallel zu den ersten und zweiten Messelektroden 123, 125 der Messeinheit 105 angeordnet.
In der gezeigten Ausführungsform ist die auslenkbare Masse 103 in positiver wie negativer Y-Richtung auslenkbar. Die ersten und zweiten Messelektroden 123, 125 wie auch die ersten und zweiten Dämpfungsfinger 127, 129 erstrecken sich hingegen in einer zur Auslenkrichtung senkrechten Richtung, in 1 somit in X-Richtung.
Der Hebelarm 115 ist mit dem ersten Federelement 117 über einen Aufhängungspunkt 121 verbunden. Bei einer Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 ist der Hebelarm 115 um den Aufhängungspunkt 121 schwenkbar. Über eine Positionierung des Aufhängungspunktes 121 am Hebelarm 115 können die Hebelverhältnisse des Hebelarms auf Grund einer Änderung der Längenverhältnisse zwischen dem Abschnitt zwischen dem ersten Ende 114 und dem Aufhängungspunkt 121 und dem Abschnitt zwischen dem zweiten Ende 116 des Hebelarms 115 und dem Aufhängungspunkt 121 variiert werden. Durch Variation der Hebelverhältnisse kann bei Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 eine durch Verschwenken des Hebelarms 115 bewirkte Bewegung des zweiten Dämpfungskamms 111 und ein damit verbundenes Dämpfungsverhalten variiert werden.
Die auslenkbare Masse 103 umfasst einen Durchmesser D, der einer Länge einer der rechtwinklig angeordneten Seitenkanten der auslenkbaren Masse 103 entspricht.
Der Hebelarm 115 weist eine Länge L auf. Diese kann beispielsweise 15% des Durchmessers D der auslenkbaren Masse 103 umfassen. In 1 sind die Grö-ßen- und Längenverhältnisse der gezeigten mikromechanischen Sensorstruktur 100 nicht längengetreu dargestellt, sodass der dargestellte Hebelarm 115 eine von diesem Zahlenwert abweichende Länge aufweist.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst die mikromechanische Sensorstruktur 111 eine Mehrzahl von Dämpfungsstrukturen 107, die identisch gemäß dem oben beschriebenen ausgestaltet sind. Die einzelnen Dämpfungsstrukturen 107 sind jeweils an den vier Ecken der rechteckig ausgebildeten auslenkbaren Masse 103 angeordnet. Die Anzahl bzw. die Anordnung der einzelnen Dämpfungsstrukturen 107 kann von der hier gezeigten Ausführungsform beliebig variieren und abweichen.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Messeinheit 105 mittig angeordnet. Sowohl die Anordnung der Messeinheit 105 als auch die Anzahl der parallel angeordneten ersten und zweiten Messelektroden 123, 125 kann beliebig von dem in 1 gezeigten Beispiel abweichen.
Die Anzahl und Größenverhältnisse der ersten und zweiten Dämpfungskämme 109, 111 wie auch der ersten und zweiten Dämpfungsfinger 127, 129 können ebenfalls von der in 1 lediglich schematisch und beispielhaft dargestellten Ausführungsform abweichen.
In der gezeigten Ausführungsform weist die Sensorstruktur 100 vier identisch ausgebildete Dämpfungsstrukturen 107 auf. Alternativ ist auch eine Sensorstruktur 100 mit lediglich einer Dämpfungsstruktur 107 oder mit einer beliebigen Anzahl von Dämpfungsstrukturen 107 denkbar.
In 1 ist die mikromechanische Sensorstruktur 100 als ein Beschleunigungssensor dargestellt. Die auslenkbare Masse 103 ist in der gezeigten Ausführungsform in der durch die gezeigten Raumrichtungen X und Y eben auslenkbar. Eine entsprechende Dämpfung der Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 durch die ausgebildete Dämpfungsstruktur 107 findet ebenfalls innerhalb der durch die Raumrichtungen X, Y aufgespannten Raumebene statt. Alternativ hierzu kann die mikromechanische Sensorstruktur 100 ebenfalls als ein Drehratensensor bzw. als ein Mikrospiegel ausgestaltet sein. Darüber hinaus kann eine Dämpfung der Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 durch die Dämpfungsstruktur 107 ebenfalls für einen zur gezeigten Raumebene X, Y senkrechten Anteil der Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 erfolgen.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Mikromechanischen Sensorstruktur 100 mit Dämpfungsstruktur in 1 in ausgelenktem Zustand.
2 zeigt die mikromechanische Sensorstruktur 100 in 1 in einem Auslenkungszustand, in dem die auslenkbare Masse 103 in eine erste Richtung A1 und somit in positiver Y-Richtung aufgrund einer entsprechenden Beschleunigung der mikromechanischen Sensorstruktur 100 bewegt ist.
Durch die Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 in die erste Richtung A1 wird durch die Umlenkstruktur 113 der zweite Dämpfungskamm 111 der Dämpfungsstruktur 107 in eine der ersten Richtung A1 entgegengesetzte zweite Richtung A2 und somit in negativer Y-Richtung bewegt.
Durch die Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 in eine erste Richtung A1 wird das zweite Ende 116 des Hebelarms 115, das über das zweite Federelement 119 mit der auslenkbaren Masse 103 verbunden ist, ebenfalls in erster Richtung A1 bewegt. Durch die Verankerung des Hebelarms 115 über das erste Federelement 117 mit dem Substrat 101 erfolgt aufgrund der Bewegung des zweiten Endes 116 des Hebelarms 115 in erster Richtung A1 eine Schwenkbewegung des Hebelarms 115 um den Aufhängungspunkt 121. Dies führt wiederum zu einer Bewegung des ersten Endes 117 des Hebelarms 115 in der zur ersten Richtung A1 entgegengesetzt gerichteten zweiten Richtung A2. Dies führt zu einer ebenfalls in die zweite Richtung A2 gerichteten Bewegung des am ersten Ende 114 des Hebelarms 115 ausgebildeten zweiten Dämpfungskamms 111. Durch die Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 in die erste Richtung A1 wird der an der auslenkbaren Masse 103 angeordnete erste Dämpfungskamm 109 ebenfalls in die erste Richtung A1 bewegt.
Durch die Bewegung der auslenkbaren Masse 103 in die erste Richtung A1 erfolgt ebenfalls eine Bewegung der an der auslenkbaren Masse 103 ausgebildeten zweiten Messelektroden 125 der Messeinheit 105. Die ersten Messelektroden 123 sind hingegen am Substrat 101 befestigt, sodass von diesem keine Bewegung ausgeführt wird. Durch die Relativbewegung der zweiten Messelektroden 125 zu den unbeweglichen ersten Messelektroden 123 erfolgt somit eine Verringerung der Abstände zwischen den parallel zueinander angeordneten und unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Messelektroden 123, 125.
Gleichzeitig erfolgt eine Verringerung der Abstände zwischen den parallel angeordneten und unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfingern 127, 129 der ersten und zweiten Dämpfungskämme 109, 111. Da jedoch im Gegensatz zu den ersten und zweiten Messelektroden 123, 125 die ersten und zweiten Dämpfungskämme 109, 111 eine jeweils entgegengesetzt gerichtete Bewegung ausführen, werden Abstände zwischen unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfingern 127, 129 durch die Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 mit einer höheren Geschwindigkeit verringert, als Abstände zwischen unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Messelektroden 123, 125, von denen die am Substrat 101 verankerten ersten Messelektroden 123 keine Bewegung durchführen.
Durch das vergleichsweise schnellere Verringern der Abstände unmittelbar gegenüberliegender erster und zweiter Dämpfungsfinger 127, 129 kann eine erhöhte Dämpfungsleistung bei starker Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 erreicht werden, indem für erhöhte Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 aufgrund des stark verringerten Abstands zwischen unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfingern 127, 129 eine erhöhte Dämpfungsleistung der Squeeze-Film-Dämpfung erreicht werden kann. Gleichzeitig kann durch das beschleunigte Verringern der Abstände zwischen unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfingern 127, 129 gegenüber der Abstandsverringerung zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Messelektroden 123, 125 ein Abstand zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfingern 127, 129 in einem Ruhezustand gegenüber den Abständen zwischen ersten und zweiten Messelektroden 123, 125 erhöht werden. Hierdurch kann eine geringe Dämpfungswirkung und ein damit verbundenes präzises Ansprechverhalten der mikromechanischen Sensorstruktur 100 für gering ausgelenkte und hochfrequente Beschleunigungen der mikromechanischen Sensorstruktur 100 erreicht werden.
Bei einer Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 in negativer Y-Richtung erfolgt das Dämpfungsverhalten selbstverständlich analog zu dem oben beschriebenen Verfahren.
3 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur 100 mit Dämpfungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Abweichend zu den Ausführungsformen der 1 und 2 weist die mikromechanische Sensorstruktur 100 in der Ausführungsform in 3 ferner eine Mehrzahl von Aufhängungs-Federelementen 133 auf, über die die auslenkbare Masse 103 am Substrat 101 federnd auslenkbar gelagert ist. Eine Lagerung der auslenkbaren Masse 103 am Substrat 101 erfolgt somit über die Mehrzahl von Aufhängungs-Federelementen 133 wie auch über die Mehrzahl der ersten Federelemente 117 der Dämpfungsstrukturen 107.
Darüber hinaus sind in der gezeigten Ausführungsform zweite Dämpfungskämme 111 benachbarter Dämpfungsstrukturen 107 jeweils über dritte Federelemente 131 miteinander verbunden.
Die restlichen Eigenschaften der auslenkbaren Masse 103 der Messeinheit 105 und der Dämpfungsstruktur 107 entsprechen denen der Ausführungsformen der 1 und 2 und werden im Folgenden nicht erneut detailliert beschrieben.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Mikromechanischen Sensorstruktur 100 mit Dämpfungsstruktur in 3 in ausgelenktem Zustand.
Die Funktionsweise der Dämpfungsstruktur 107 entspricht der Funktionsweise der Dämpfungsstruktur 107 in der Ausführungsform in 1 und 2 und wird daher ebenfalls im Folgenden nicht erneut detailliert beschrieben.
Durch das dritte Federelement 131, das benachbarte zweite Dämpfungskämme 111 benachbarter Dämpfungsstrukturen 107 miteinander verbindet, kann ein Rotationsanteil einer Bewegung der zweiten Dämpfungskämme 111 in die zweite Richtung A2, der durch die Schwenkbewegung des ausgelenkten Hebelarms 115 hervorgerufen wird, reduziert bzw. unterdrückt werden. Durch diese Rotationsbewegung können höhere Moden reduziert werden, die in der Regel noch schwerer zu dämpfen sind.
Ferner sind die über das dritte Federelement 131 miteinander verbundenen zweiten Dämpfungskämme 111 über ein Verbindungselement 139 mit dem ersten Ende 114 des Hebelarms 115 der jeweiligen Dämpfungsstruktur 107 verbunden.
5 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur 100 mit Dämpfungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die Ausführungsform in 5 basiert auf den Ausführungsformen der 3 und 4 und unterscheidet sich von den genannten Ausführungsformen darin, dass die Aufhängungs-Federelemente 131 in das Innere der auslenkbaren Masse 103 verlegt sind und über eine gemeinsame Verankerungsstruktur 135 mit dem Substrat 101 verankert sind. Die gemeinsame Verankerungsstruktur 135 ist zentral mittig zur auslenkbaren Masse 103 angeordnet. Die Anordnung der Aufhängungs-Federelemente 133 wie auch der gemeinsamen Verankerungsstruktur 135 kann zu der in 5 gezeigten Ausführungsform beliebig variiert werden.
Die Funktionsweise der Dämpfungsstruktur 107 entspricht den zu den 2 und 4 beschriebenen Funktionsweisen und wird im Folgenden nicht erneut erläutert.
6 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur 100 mit Dämpfungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der Ausführungsform in 6 sind die ersten und zweiten Dämpfungskämme 109, 111 einer Dämpfungsstruktur 107 an einer zweiten Seite S2 der auslenkbaren Masse 103 angeordnet. Der Hebelarm 115 ist weiterhin über das erste Federelement 117 am Substrat 101 verankert und über das zweite Federelement 119 mit der auslenkbaren Masse 103 verbunden. Die Verbindung über das zweite Federelement 119 mit der auslenkbaren Masse 103 erfolgt jedoch mittig an einer ersten Seite S1 der auslenkbaren Masse.
Ferner umfasst die mikromechanische Sensorstruktur 100 ein Umrandungselement 137, das die zweiten Dämpfungskämme 111 der Dämpfungsstrukturen 107 miteinander verbindet und die auslenkbare Masse 103 umrandet.
7 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Mikromechanischen Sensorstruktur 100 mit Dämpfungsstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der Ausführungsform in 7 sind die Dämpfungsstrukturen 107 in das Innere der auslenkbaren Masse 103 verlegt und werden von dieser umfasst.
Die ersten Federelemente 117 der Dämpfungsstrukturen 107 sind über eine mittig angeordnete gemeinsame Verankerungsstruktur 135 mit dem Substrat 101 verankert.
Darüber hinaus weist die mikromechanische Sensorstruktur 100 in der gezeigten Ausführungsform zwei identisch ausgebildete Messeinheiten 105 auf, die jeweils seitlich an den zweiten Seiten S2 der auslenkbaren Masse 103 angeordnet sind.
Die Hebelarme 115 sind jeweils parallel an den ersten Seiten S1 der auslenkbaren Masse 103 angeordnet und über die zweiten Federelemente 119 mit der auslenkbaren Masse 103 verbunden, wobei eine Verbindung mittig der auslenkbaren Masse 103 erfolgt. Die ersten und zweiten Dämpfungskämme 109, 111 sind jeweils parallel zu den zweiten Seiten S2 der auslenkbaren Masse 103 angeordnet.
Auch in der gezeigten Ausführungsform ist die auslenkbare Masse 103 in positiver wie negativer Y-Richtung auslenkbar. Die Dämpfung der Auslenkung der auslenkbaren Masse 103 über die Dämpfungsstrukturen 107 entspricht dem oben beschriebenen Verhalten der weiteren Ausführungsformen.
Die zweiten Dämpfungskämme 111 sind jeweils über ein Verbindungselement 139 mit dem zweiten Ende 116 des Hebelarms 115 der entsprechenden Dämpfungsstruktur 107 verbunden.

Claims

Mikromechanische Sensorstruktur (100) mit Dämpfungsstruktur, umfassend ein Substrat (101); eine relativ zum Substrat (101) federnd auslenkbare Masse (103); eine Messeinheit (105) zum Detektieren einer Auslenkung der Masse (103); und eine Dämpfungsstruktur (107) zum Dämpfen einer Auslenkung der Masse (103) mit ineinander greifenden ersten und zweiten Dämpfungskämmen (109, 111), wobei der erste Dämpfungskamm (109) an der Masse (103) angeordnet und der zweite Dämpfungskamm (111) beweglich an einer Umlenkstruktur (113) angeordnet sind, und wobei bei einer Auslenkung der Masse (103) in eine erste Richtung (A1) der zweite Dämpfungskamm (111) über die Umlenkstruktur (113) relativ zum Substrat (101) in eine der ersten Richtung (A1) entgegengesetzte zweite Richtung (A2) bewegt wird.
Sensorstruktur (100) nach Anspruch 1, wobei die Umlenkstruktur (113) als eine Wippenstruktur mit einem schwenkbaren Hebelarm (115) ausgebildet ist, wobei der Hebelarm (115) über ein am Substrat (101) verankertes erstes Federelement (117) schwenkbar gelagert ist, wobei an einem ersten Ende (114) des Hebelarms (115) der zweite Dämpfungskamm (111) angeordnet ist, und wobei der Hebelarm (115) über ein an einem zweiten Ende (116) des Hebelarms (115) angeordnetes zweites Federelement (119) mit der Masse (103) verbunden ist.
Sensorstruktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikromechanische Sensorstruktur eine Mehrzahl von Dämpfungsstrukturen (107) umfasst.
Sensorstruktur (100) nach Ansprüchen 2 und 3, wobei die Masse (103) über die ersten Federelemente (117) der Umlenkstrukturen (113) federnd auslenkbar am Substrat (101) befestig ist.
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 und 3 oder 4, wobei die ersten Federelemente (117) der Dämpfungsstrukturen (107) in einer gemeinsamen Verankerungsstruktur (135) mit dem Substrat (101) verbunden sind.
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 und 3 oder 4, 5, wobei die Dämpfungsstrukturen (107) an einem Randbereich der Masse (103) angeordnet sind und diese wenigstens teilweise umfassen; und/oder wobei Dämpfungsstrukturen (107) in einem Innenbereich der Masse (103) angeordnet sind und von der dieser wenigstens teilweise umfasst sind.
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 und 3 oder 4 bis 6, wobei zweite Dämpfungskämme (111) benachbarter Dämpfungsstrukturen (107) über ein gemeinsames drittes Federelement (131) miteinander verbunden sind.
Sensorstruktur (100) nach Anspruch 7, wobei eine erste Länge (L1) eines ersten Abschnitts eines Hebelarms (115) zwischen dem ersten Federelement (117) und dem zweiten Federelement (119) mehr als ein Zweifaches einer zweiten Länge (L2) eines zweiten Abschnitts des Hebelarms (115) zwischen dem ersten Federelement (117) und dem dritten Federelement (131) beträgt.
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 bis 8, wobei der Hebelarm (115) sich entlang einer zu einer Auslenkrichtung (A1) der Masse (103) senkrechten Richtung erstreckt.
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 bis 9, wobei eine Länge (L) eines Hebelarms (115) größer als 15% eines Durchmessers der Masse beträgt.
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 bis 10, wobei über eine Positionierung eines Aufhängungspunktes (121), an dem der Hebelarm (115) mit dem ersten Federelement (117) verbunden ist, ein Dämpfungsverhalten der Dämpfungsstruktur (107) variierbar ist.
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Messeinheit (105) wenigstens eine am Substrat (101) angeordnete erste Messelektrode (123) und eine der ersten Messelektrode (123) gegenüberliegend an der Masse (103) angeordnete zweite Messelektrode (125) umfasst, wobei die ersten und zweiten Dämpfungskämme (109, 111) sich senkrecht zu einer Auslenkrichtung (A1) der Masse (103) erstreckende und parallel zu den ersten und zweiten Messelektroden (123, 125) angeordnete erste und zweite Dämpfungsfinger (127, 129) aufweisen, die ein identisches elektrisches Potential aufweisen.
Sensorstruktur (100) nach Anspruch 12, wobei in einer Ruhelage der Masse (103) ein Abstand zwischen unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Dämpfungsfingern (127, 129) größer oder gleich ist als ein Abstand zwischen unmittelbar gegenüber liegenden ersten und zweiten Messelektroden (123, 125).
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Masse (103) über wenigstens ein Aufhängungsfederelement (133) federnd auslenkbar am Substrat (101) befestigt ist.
Sensorstruktur (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Mikromechanische Sensorstruktur (100) als ein Beschleunigungssensor oder Drehratensensor oder Mikrospiegel ausgebildet ist.