DE102022201494A1

DE102022201494A1 - Mikromechanische Struktur, Aktuator, Sensor

Info

Publication number: DE102022201494A1
Application number: DE102022201494.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Klaus; Josip Mihaljevic; Reinhold Roedel; Daniel Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-14
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2023-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur. Diese weist ein Befestigungselement, ein Masseelement und eine Aufhängungsvorrichtung auf. Die Aufhängungsvorrichtung weist vier mit dem Befestigungselement verbundene Biegebalken auf. Das Masseelement ist über die Biegebalken mit dem Befestigungselement verbunden. Jeder Biegebalken weist einen Befestigungspunkt auf, wobei das Masseelement an den Befestigungspunkten befestigt ist. Die Befestigungspunkte bilden ein Rechteck mit einer ersten Rechteckseite und einer zweiten Rechteckseite. Die Biegebalken weisen jeweils eine Biegebalkenrichtung auf, wobei die Biegebalkenrichtung für jeden Biegebalken weder parallel noch senkrecht zur einer der beiden Rechteckseiten ist. Das Masseelement weist ferner eine Hubschwingungsmode senkrecht zum Rechteck auf, wobei die Hubschwingungsmode eine durch Abmessungen des Masseelements und durch Abmessungen der Biegebalken beeinflusste Hubschwingungsfrequenz aufweist. Das Masseelement weist ferner eine erste Kippschwingungsmode parallel zur ersten Rechteckseite und eine zweite Kippschwingungsmode parallel zur zweiten Rechteckseite auf, wobei eine erste Kippschwingungsfrequenz der ersten Kippschwingungsmode größer oder gleich einer zweiten Kippschwingungsfrequenz der zweiten Kippschwingungsmode ist. Die zweite Kippschwingungsfrequenz weist einen vorgegebenen Abstand zur Hubschwingungsfrequenz auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur, ein Verfahren zum Auslegen einer mikromechanischen Struktur, einen Aktuator sowie einen Sensor.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind mikromechanische Strukturen, die auch als mikroelektromechanische Strukturen (MEMS) bezeichnet werden können, bekannt, bei denen ein Masseelement über eine Aufhängungsvorrichtung mit einem Befestigungselement verbunden ist, wobei die Aufhängungsvorrichtung Biegebalken umfasst und das Masseelement eine im Wesentlichen flächige Ausgestaltung aufweist. Die flächige Ausgestaltung des Masseelements soll dabei insbesondere bedeuten, dass das Masseelement in zwei Dimensionen deutlich größer ist als in einer dritten Dimension, eine Abmessung in der dritten Dimension also beispielsweise maximal 20 % der Abmessungen in den anderen beiden Dimensionen, insbesondere maximal 10 % der Abmessungen in den anderen beiden Dimensionen, beträgt. Dieses Masseelement kann mittels des Befestigungselements freischwebend aufgehängt sein und dann mehrere Schwingungsmoden umfassen. Eine Hubschwingungsmode kann dabei senkrecht zur flächigen Ausgestaltung des Masseelements sein, also insbesondere parallel zur dritten Dimension. Zwei Kippschwingungsmoden können jeweils eine Rotation um eine Achse senkrecht zur Hubbewegung umfassen. Bei der Hubschwingung wird also das komplette Masseelement in eine Richtung ausgelenkt und schwingt ausschließlich in diese Richtung. Bei den Kippschwingungen führt das Masseelement eine Rotationsschwingung aus.
Ein solches Masseelement kann dabei insbesondere zur Erzeugung oder zur Detektion eines Schallsignals bzw. Ultraschallsignals verwendet werden. Insbesondere die Hubmode ist dabei die erwünschte Mode des Masseelements. Schallwellen bzw. Ultraschallwellen können mittels der Hubmode in der umgebenden Luft angeregt werden. Ferner können Schallwellen bzw. Ultraschallwellen von der umgebenden Luft auf das Masseelement übertragen werden und dabei die Hubmode angeregt werden.
Es sind Ausgestaltungen solcher mikromechanischer Strukturen bekannt, bei denen das Befestigungselement vier Biegebalken aufweist und jeder Biegebalken einen Befestigungspunkt aufweist, wobei das Masseelement an den Befestigungspunkten befestigt ist und die Befestigungspunkte ein Rechteck bilden. Die Biegebalken sind in den im Stand der Technik bekannten Ausgestaltungen senkrecht bzw. parallel zu Seiten des Rechtecks der Befestigungspunkte ausgerichtet.
Um eine verbesserte Übertragung von Schallwellen von umgebender Luft auf das Masseelement oder vom Masseelement auf die umgebende Luft zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass das Masseelement in verschiedenen Richtungen verschiedene Abmessungen aufweist und somit die beiden Kippschwingungsmoden eine unterschiedliche Schwingungsfrequenz umfassen. Durch die Anordnung des Befestigungselements, des Masseelements und der Aufhängungsvorrichtung ergeben sich feste Verhältnisse zwischen der Hubschwingungsfrequenz und den Kippschwingungsfrequenzen.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist, eine mikromechanische Struktur bereitzustellen, bei der es möglich ist, eine Hubschwingungsfrequenz und die Kippschwingungsfrequenzen aufeinander abzustimmen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für solch eine mikromechanische Struktur bereitzustellen. Weitere Aufgaben der Erfindung sind darin zu sehen, einen Aktuator bzw. einen Sensor mit einer solchen mikromechanischen Struktur bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine mikromechanische Struktur weist ein Befestigungselement, ein Masseelement und eine Aufhängungsvorrichtung auf. Die Aufhängungsvorrichtung weist vier mit dem Befestigungselement verbundene Biegebalken auf. Das Masseelement ist über die Biegebalken mit dem Befestigungselement verbunden. Jeder Biegebalken weist einen Befestigungspunkt auf, wobei das Masseelement an den Befestigungspunkten befestigt ist. Die Befestigungspunkte bilden ein Rechteck mit einer ersten Rechteckseite und einer zweiten Rechteckseite. Die Biegebalken weisen jeweils eine Biegebalkenrichtung auf, wobei die Biegebalkenrichtung für jeden Biegebalken weder parallel noch senkrecht zur einer der beiden Rechteckseiten ist. Das Masseelement weist ferner eine Hubschwingungsmode senkrecht zum Rechteck auf, wobei die Hubschwingungsmode eine durch Abmessungen des Masseelements und durch Abmessungen der Biegebalken beeinflusste Hubschwingungsfrequenz aufweist. Das Masseelement weist ferner eine erste Kippschwingungsmode parallel zur ersten Rechteckseite und eine zweite Kippschwingungsmode parallel zur zweiten Rechteckseite auf, wobei eine erste Kippschwingungsfrequenz der ersten Kippschwingungsmode größer oder gleich einer zweiten Kippschwingungsfrequenz der zweiten Kippschwingungsmode ist. Die zweite Kippschwingungsfrequenz weist einen vorgegebenen Abstand zur Hubschwingungsfrequenz auf.
Dadurch, dass die Biegebalkenrichtung weder parallel noch senkrecht zu den Rechteckseiten ist, kann eine individuelle Abstimmung der Hubschwingungsfrequenz und der Kippschwingungsfrequenzen erfolgen. Beispielsweise kann die Biegebalkenrichtung für die vier Biegebalken derart eingestellt werden, dass die erste Kippschwingungsfrequenz und die zweite Kippschwingungsfrequenz identisch sind. Ferner kann durch Anpassung eines Winkels zwischen den Biegebalken die genaue Festlegung der Kippschwingungsfrequenzen verändert und beispielsweise nicht erwünschte Eigenfrequenzbereiche ausgenommen werden. Ferner können die Biegebalkenrichtungen derart angeordnet sein, dass ein Frequenzabstand zwischen der Hubschwingungsfrequenz und den Kippschwingungsfrequenzen möglichst groß wird.
Eine solche mikromechanische Struktur kann beispielsweise in einem Sensor eingesetzt werden. Insbesondere kann dabei vorgesehen, dass ein zu detektierendes Signal das Masseelement in die Hubschwingung versetzt und das Einsetzen der entsprechenden Hubschwingung detektiert. Dies kann beispielsweise mittels eines auf das Masseelement gerichteten Lasers und einer Fotodiode erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können auch Möglichkeiten vorgesehen sein, die Hubschwingung mittels Auslesen einer elektrischen Spannung zu detektieren. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass auch elektrische Leitungen innerhalb der mikromechanischen Struktur angeordnet sind und somit insgesamt die mikromechanische Struktur auch als mikroelektromechanische Struktur bezeichnet werden kann.
Eine solche mikromechanische Struktur kann auch in einem Aktuator zum Einsatz kommen, bei dem mikromechanische Struktur derart angeregt wird, dass die Hubschwingung erzeugt wird. Dazu können wiederum elektrische Leitungen innerhalb der mikromechanischen Struktur vorgesehen sein und somit ebenfalls eine mikroelektromechanische Struktur vorliegen.
Insbesondere kann der Sensor zum Detektieren von Schall bzw. Ultraschallwellen und der Aktuator zum Aussenden von Schall bzw. Ultraschallwellen geeignet sein. In diesen Ausgestaltungen kann der Sensor als Mikrofon oder als Ultraschalldetektor und der Aktuator als Lautsprecher beziehungsweise Ultraschallquelle bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform der mikromechanischen Struktur liegt die Hubschwingungsfrequenz im Bereich zwischen 20 und 100 kHz. Bevorzugt kann die Hubschwingungsfrequenz zwischen 20 und 60 kHz liegen. In diesem Fall kann die mikromechanische Struktur zum Aussenden oder Detektieren von Ultraschallwellen in den genannten Frequenzbereichen dienen.
In einer Ausführungsform sind die Biegebalken jeweils quaderförmig. Die Biegenbalken weisen jeweils eine erste Quaderseite, eine zweite Quaderseite und eine dritte Quaderseite auf. Die dritte Quaderseite ist kleiner als die erste Quaderseite und kleiner als die zweite Quaderseite. Die Biegenbalkenrichtung ist parallel zu ersten Quaderseite. Dadurch wird ermöglicht, dass eine Frequenz der Hubschwingungsmode kleiner ist als die Frequenzen der Kippschwingungsmoden.
In einer Ausführungsform ist die erste Quaderseite zwischen 200 und 400 µm lang, die zweite Quaderseite zwischen 600 und 1.000 µm lang und die dritte Quaderseite zwischen 10 und 30 µm lang. Dadurch wird eine effiziente Aufhängungsvorrichtung zur Erzeugung oder zur Detektion von Ultraschallwellen bereitgestellt.
In einer Ausführungsform ist das Masseelement quaderförmig und parallel zum Rechteck der Befestigungspunkte angeordnet. Ferner wist das quaderförmige Masseelement eine Länge von mindestens 3.500 µm und maximal 4.500 µm, eine Bereite von mindestens 2.000 µm und maximal 3.000 µm und eine Dicke von mindestens 100 und maximal 500 µm auf. Die Länge und Breite des Masseelements sind dabei parallel zum Rechteck der Befestigungspunkte orientiert. In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Dicke des quaderförmigen Masseelements höchstens 250 µm. Diese Abmessungen des Masseelements ergeben, beispielsweise in Verbindung mit den bereits beschriebenen Abmessungen der Biegebalken, eine mikromechanische Struktur mit einer Eigenfrequenz der Hubschwingungsmode im Ultraschallbereich.
In einer Ausführungsform beträgt ein Winkel zwischen der Biegebalkenrichtung und den Rechteckseiten für jeden Biegebalken zwischen 10 und 80°, insbesondere zwischen 30 und 60°. Diese Winkelbereiche haben sich als vorteilhaft für die Einstellung der Kippschwingungsmoden und dabei insbesondere als Vorteilhaft zum Erzeugen eines vorgegebenen Abstands zwischen der Hubschwingungsfrequenz und den Kippschwingungsfrequenzen herausgestellt.
In einer Ausführungsform ist der Winkel derart gewählt, dass die erste Kippschwingungsfrequenz gleich der zweiten Kippschwingungsfrequenz ist. Dies ermöglicht einen größtmöglichen Abstand zwischen der Hubschwingungsfrequenz und den Kippschwingungsfrequenzen. Wenn das Masseelement quaderförmig mit einer rechteckigen, jedoch nicht quadratischen Grundseite ausgestaltet ist, ermöglicht eine Anpassung des Winkels zwischen dem Biegebalken und den Seiten des Rechtecks die Einstellung der entsprechenden Frequenzverhältnisse.
In einer Ausführungsform weist die mikromechanische Struktur zumindest einen Piezokristall auf einem der Biegebalken auf. Der Piezokristall ist mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss verbunden. Es kann eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss abgegriffen und/oder angelegt werden. Es kann vorgesehen sein, dass alle vier Biegebalken einen solchen Piezokristall mit den entsprechenden Anschlüssen aufweisen. Ferner können auch mehrere Piezokristalle pro Biegebalken vorgesehen sein. Durch eine angelegte Spannung an die Piezokristalle kann eine Biegung des Biegebalkens erzeugt werden und dadurch das Masseelement aus seiner Ruhelage ausgelenkt werden. Wird die Spannung mit einer Frequenz angelegt, die der Hubschwingungsfrequenz entspricht, so kann so die Hubschwingung des Masseelements angeregt werden. Die mikromechanische Struktur kann dann als Aktuator verwendet werden. Alternativ kann auch ein Abgreifen der an den Piezokristallen anliegenden Spannung zur Detektion einer Hubschwingung des Masseelements genutzt werden, beispielsweise bei der Verwendung der mikromechanischen Struktur innerhalb eines Sensors.
In einer Ausführungsform weist die mikromechanische Struktur ferner eine erste Elektrode am Masseelement und eine zweite Elektrode am Befestigungselement auf. Eine elektrische Spannung kann zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgegriffen und/oder angelegt werden. Die angelegte Spannung kann dabei ebenfalls zum Anregen der Hubschwingung genutzt werden, während die abgegriffene Spannung ebenfalls zum Detektieren der Hubschwingung genutzt werden kann.
Insbesondere die mikromechanischen Strukturen mit den Piezokristallen bzw. mit den Elektroden an Masseelement und Befestigungselement können auch als mikroelektromechanischen Strukturen bezeichnet werden.
Um eine solche mikromechanische Struktur herzustellen, erfolgt zunächst eine Auslegung der mikromechanischen Struktur, bei der anhand von Abmessungen der Biegebalken und des Masseelements, Materialkonstanten der Biegebalken und des Masseelements sowie einen Winkel zwischen den Biegebalkenrichtungen und den Rechteckseiten zunächst die Hubschwingungsfrequenz, die erste Kippschwingungsfrequenz sowie die zweite Kippschwingungsfrequenz ermittelt werden und anschließend die mikromechanische Struktur erzeugt wird. Ergibt sich dabei beispielsweise, dass die erste Kippschwingungsfrequenz zu nah an der Hubschwingungsfrequenz liegt, kann über eine Anpassung des Winkels eine Veränderung der Kippschwingungsfrequenzen erreicht werden und so beispielsweise ein größerer Abstand zwischen der Hubschwingungsfrequenz und den Kippschwingungsfrequenzen erreicht werden. Ferner kann vorgesehen sein, falls die Kippschwingungsfrequenzen in einem Frequenzbereich liegen, der aus bestimmten Gründen freigehalten werden soll (beispielsweise könnte vorgesehen sein, die zweifache Hubschwingungsfrequenz von Kippschwingungen freizuhalten, oder es könnte vorgesehen sein, durch ein Einsatzgebiet eines Sensors oder Aktuators vorgegebene Frequenzen eines Gesamtsystems auszusparen) so kann der Winkel zwischen den Biegebalkenrichtungen und den Rechteckseiten derart verändert werden, dass diese Frequenzbereiche von den Kippschwingungsfrequenzen freigehalten blieben.
Das Erzeugen der mikromechanischen Struktur kann beispielsweise derart erfolgen, dass die mikromechanische Struktur aus Silizium aufgebaut wird und mittels den bekannten Lithographie- und Ätzverfahren ein entsprechender Aufbau einer entsprechenden Erzeugung der mikromechanischen Struktur erfolgt. Dabei können insbesondere belichtete Fotolackmasken zum Einsatz kommen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

1 eine mikromechanische Struktur;
2 einen Querschnitt durch einen Teil der mikromechanischen Struktur der 1;
3 einen Querschnitt durch die mikromechanische Struktur der 1;
4 eine weitere mikromechanische Struktur;
5 einen Querschnitt durch einen Teil der mikromechanischen Struktur der 4;
6 einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines Teils einer mikromechanischen Struktur;
7 eine weitere mikromechanische Struktur;
8 einen Querschnitt durch einen Teil der mikromechanischen Struktur der 7;
9 ein Frequenzspektrum; und
10 eine angepasste mikromechanische Struktur.

1 zeigt eine mikromechanische Struktur 100 mit einem Befestigungselement 110, einem Masseelement 120 und einer Aufhängungsvorrichtung 130. Die Aufhängungsvorrichtung 130 weist vier mit dem Befestigungselement 110 verbundene Biegebalken 131, 132, 133, 134 auf. Diese können auch als erster Biegebalken 131, zweiter Biegebalken 132, dritter Biegebalken 133 und vierter Biegebalken 134 bezeichnet werden. Das Masseelement 120 ist mit dem Befestigungselement 110 über die Biegebalken 131, 132, 133, 134 verbunden. Jeder Biegebalken 131, 132, 133, 134 weist einen Befestigungspunkt 135 auf, wobei das Masseelement 120 an den Befestigungspunkten 135 befestigt ist. Die Befestigungspunkte 135 bilden ein Rechteck 136 mit einer ersten Rechteckseite 137 und einer zweiten Rechteckseite 138. Die Biegebalken 131, 132, 133, 134 weisen jeweils eine Biegebalkenrichtung 139 auf, wobei die Biegebalkenrichtung 139 für jeden der Biegebalken 131, 132, 133, 134 weder parallel zu einer der Rechteckseiten 137, 138 noch senkrecht zu einer der Rechteckseite 137, 138 ist. Der Befestigungspunkt 135 ist in diesem Fall an der Spitze der Biegebalken 131, 132, 133, 134. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass als Befestigungspunkt 135 ein anderer Punkt, beispielsweise am Übergang zwischen Biegebalken 131, 132, 133, 134 und Masseelement 120 definiert wird, solange diese Definition für alle Biegebalken 131, 132, 133, 134 identisch ist.
In 1 ist ferner eine erste Richtung 101 und eine zweite Richtung 102 eingezeichnet, wobei die erste Richtung 101 parallel zur ersten Rechteckseite 137 und die zweite Richtung 102 parallel zur zweiten Rechteckseite 138 ist. Die Ansicht der mikromechanischen Struktur 100 der 1 ist ferner von unten, so dass in 1 dargestellt ist, dass die Biegebalken 131, 132, 133, 134 unterhalb des Masseelements 120 angeordnet sind.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil der mikromechanischen Struktur 100 der 1 entlang der Biegebalkenrichtung 139 des ersten Biegebalkens 131. Der erste Biegebalken 131 ist mit dem Befestigungselement 110 verbunden und unterhalb des Masseelements 120 angeordnet. Eine dritte Richtung 101 steht senkrecht zur Biegebalkenrichtung 139 und auch senkrecht zur ersten Richtung 101 und zur zweiten Richtung 102 der 1. Das Masseelement 120 weist eine Hubschwingungsmode 105 auf, die senkrecht zum Rechteck 136 und somit parallel zur dritten Richtung 103 ist. Das bedeutet, dass, wenn sich das Masseelement 120 innerhalb der Hubschwingungsmode 105 bewegt, das gesamte Masseelement 120 parallel zur dritten Richtung senkrecht zum Rechteck 136 bewegt wird. Eine Hubschwingungsfrequenz ist durch Abmessungen des Masseelements 120 und der Biegebalken 131, 132, 133, 134 beeinflusst. Das Masseelement 120 weist ferner eine erste Kippschwingungsmode parallel zur ersten Rechteckseite 137 und eine zweite Kippschwingungsmode parallel zur zweiten Reichteckseite 138 auf. Dies bedeutet, dass das Masseelement in der ersten Kippschwingungsmode um eine Achse parallel zur ersten Rechteckseite 137 und in der zweiten Kippschwingungsmode um eine Achse parallel zur zweiten Rechteckseite 138 verkippt wird. In den Kippschwingungsmoden bewegen sich also Teile des Masseelements 120 nach oben aus der Ruhelage, während sich andere Teil des Masseelements nach unten aus der Ruhelage bewegen. In der Hubschwingungsmode 105 dagegen bewegt sich das gesamte Masseelement 120 nach oben aus der Ruhelage bzw. nach unten aus der Ruhelage.
Eine erste Kippschwingungsfrequenz der ersten Kippschwingungsmode ist größer oder gleich einer zweiten Kippschwingungsfrequenz der zweiten Kippschwingungsmode. Ferner weist die zweite Kippschwingungsmode einen vorgegebenen Abstand zur Hubschwingungsfrequenz auf. Dabei kann die Hubschwingungsfrequenz kleiner als die zweite Kippschwingungsfrequenz sein.
Eine solche mikromechanische Struktur 100 kann beispielsweise als Aktuator zum Aussenden von Schallwellen oder als Ultraschallquelle verwendet werden. Ferner kann eine solche mikromechanische Struktur 100 als Teil eines Sensors zur Detektion einer Schallwelle oder einer Ultraschallwelle verwendet werden. Der mikromechanischen Struktur 100 inhärent ist dass zusätzlich zur Hubschwingungsmode 105 die beiden Kippschwingungsmoden angeregt werden können. Durch geeignete Wahl der Abmessungen von Masseelement 120 und Biegebalken 131, 132, 133, 134 sowie dem Winkel zwischen der Biegebalkenrichtung 139 und den Rechteckseiten 137, 138 können die Frequenzverhältnisse der Hubschwingungsfrequenz und der Kippschwingungsfrequenzen zueinander eingestellt werden.
Die Hubschwingungsmode 105 und die Kippschwingungsmoden sind dabei die Wesentlichen Moden des Masseelements. Eine Drehschwingung um eine Achse parallel zur dritten Richtung 103 ist insbesondere durch die Anordnung der Biegebalken 131, 132, 133, 134 unterdrückt.
In einem Ausführungsbeispiel der mikromechanischen Struktur 100 liegt die Hubschwingungsfrequenz im Bereich zwischen 20 und 100 kHz, insbesondere zwischen 20 und 60 kHz. Damit liegt die Hubschwingungsfrequenz im Ultraschallbereich.
In einem Ausführungsbeispiel, wie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt, sind die Biegebalken 131, 132, 133, 134 jeweils quaderförmig und weisen eine erste Quaderseite 141, eine zweite Quaderseite 142 und eine dritte Quaderseite 143 auf. Die dritte Quaderseite 143 ist kleiner als die erste Quaderseite 141 und die zweite Quaderseite 142. Die Biegebalkenrichtung 139 ist parallel zur ersten Quaderseite 141. Die dritte Quaderseite 143 kann dabei insbesondere parallel zur dritten Richtung 103 sein. Die Biegebalken 131, 132, 133, 134 sind also dünn hinsichtlich der dritten Quaderseite 143, verglichen mit der ersten Quaderseite 141 und der zweiten Quaderseite 142. Dadurch kann eine schwingende Aufhängung des Masseelements 120 erreicht werden.
Der 2 kann dabei entnommen werden, dass die erste Quaderseite 141 nur den Bereich des ersten Biegebalkens 131 abdeckt, der frei bewegbar ist. Derjenige Teil des ersten Biegebalkens 131, der unter dem Masseelement 120 angeordnet und fest mit dem Masseelement 120 verbunden ist, kann sich nicht frei durchbiegen, sondern wird durch die Befestigung am Masseelement 120 fixiert. Für das Einstellen der Hubschwingungsfrequenz und der Kippschwingungsfrequenzen spielt lediglich die freie erste Quaderseite 141 eine Rolle.
In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Quaderseite 141 zwischen 200 und 400 µm lang. Die zweite Quaderseite 142 ist zwischen 600 und 1.000 µm lang. Die dritte Quaderseite 143 ist zwischen 10 und 30 µm lang. Mit diesen Abmessungen kann eine Hubschwingungsfrequenz im Ultraschallbereich erreicht werden.
In einem Ausführungsbeispiel, wie ebenfalls in 1 und 2 gezeigt, ist das Masseelement 120 ebenfalls quaderförmig und parallel zum Rechteck 136 ausgerichtet. Das Masseelement 120 weist eine Länge 121 parallel zur ersten Rechteckseite 137 von mindestens 3.500 µm und höchstens 4.500 µm auf. Ferner weist das Masseelement eine Breite 122 parallel zur zweiten Rechteckseite 138 von mindestens 2.000 und höchstens 3.000 µm auf. Senkrecht zum Rechteck 136 weist das Masseelement 120 eine Dicke 123 von mindestens 100 µm und höchstens 500 µm, insbesondere von mindestens 100 µm und höchstens 250 µm auf.
Die so beschriebene mikromechanische Struktur 100 kann beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium gefertigt sein. Um eine solche Struktur zu fertigen können die dem Fachmann bekannten Methoden zum Herstellen von mikromechanischen Siliziumstrukturen verwendet werden. Soll die mikromechanische Struktur 100 darüber hinaus elektrisch leitfähige Bereiche aufweisen, kann die mikromechanische Struktur 100 oder gegebenenfalls auch Teile der mikromechanischen Struktur 100 entsprechend mit Dotieratomen bestückt und damit dotiert werden, um leitfähige Bereiche zu erzeugen.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Winkel 147 zwischen der Biegebalkenrichtung 139 und den Rechteckseiten 137, 138 für jeden Biegebalken 131, 132, 133, 134 jeweils zwischen 10° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 60°. Mit dieser Wahl des Winkels 147 können entsprechende Kippschwingungsfrequenzen eingestellt werden und gleichzeitig ein Abstand der Kippschwingungsfrequenzen von der Hubschwingungsfrequenz erreicht werden. In einem Ausführungsbeispiel ist der Winkel 147 derart gewählt, dass die erste Kippschwingungsfrequenz gleich der zweiten Kippschwingungsfrequenz ist. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der Winkel 147 zusätzlich größer als 45° ist. Das bedeutet, dass der Winkel 147 dann zwischen 45° und 80°, insbesondere zwischen 45° und 60° liegt.
3 zeigt einen Querschnitt durch die mikromechanische Struktur 100 der 1 an der dort mit AA` bezeichneten Schnittlinie. Der Querschnitt geht dabei insbesondere durch das Befestigungselement 110 und das Masseelement 120. Der schräg zur Schnittlinie angeordnete erste Biegebalken 131 und der ebenfalls schräg zur Schnittlinie angeordnete zweite Biegebalken 132, die räumlich auch jeweils hinter der Schnittlinie liegen, sind ebenfalls dargestellt. Ferner ist die Hubschwingungsmode 105 und mittels Pfeilen die zweite Kippschwingungsmode dargestellt. In einem Schnitt senkrecht zu dieser Schnittlinie könnte auch die erste Kippschwingungsmode dargestellt werden.
In 3 sind ferner optionale Möglichkeiten zum Anregen bzw. Auslesen der Hubschwingungsmode 105 dargestellt, so dass die mikromechanische Struktur 100 Teil eines Aktuators 200 oder eines Sensors 201 sein kann. In einem ersten in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die mikromechanische Struktur 100 eine erste Elektrode 151 am Masseelement 120 auf. Die erste Elektrode 151 kann dabei in Form einer Dotierung des Masseelement 120 oder mittels Aufbringens einer metallischen Schicht auf das Masseelement 120 ausgestaltet sein, wobei in 3 die Dotierung des Masseelements 120 dargestellt ist. Die mikromechanische Struktur 100 weist ferner eine zweite Elektrode 152 auf, die als metallische Elektrode parallel zum Masseelement 120 unterhalb des Masseelements 120 angeordnet ist. In einer nicht gezeigten Ausgestaltung kann die zweite Elektrode 152 ebenfalls dotiertes Hableitermaterial aufweisen und beispielsweise Teil des Befestigungselements 110 sein. Die erste Elektrode 151 und die zweite Elektrode 152 können wahlweise mit einer Spannungsquelle 153 oder einem Voltmeter 154 verbunden werden. Ferner kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der zweite Biegebalken 132 ebenfalls dotiert ist, um eine elektrische Leitfähigkeit zwischen der ersten Elektrode 151 und der Spannungsquelle 153 bzw. dem Voltmeter 154 herzustellen. Wird über die Spannungsquelle 153 eine elektrische Wechselspannung angelegt, deren Frequenz der Hubschwingungsfrequenz der Hubschwingungsmode 105 entspricht, so kann die elektrostatische Anziehung bzw. Abstoßung zwischen der ersten Elektrode 151 und der zweiten Elektrode 152 das Masseelement 120 zu einer Schwingung anregen und somit die Hubschwingungsmode 105 angeregt werden. Wird die Hubschwingungsmode 105 durch von außen auftreffenden Signalen wie beispielsweise Schall oder Ultraschall angeregt, so kann dies durch einen Abgriff einer Spannung am Voltmeter ebenfalls detektiert werden. Die Spannung der Spannungsquelle 153 bzw. die Amplitude der mit dem Voltmeter 154 detektierten Spannung ist dabei jeweils ein Maß für die Amplitude der Schwingung des Masseelements in der Hubschwingungsmode 105.
Für die Ausgestaltung als Sensor 201 ist in 3 eine zusätzliche Auslesemöglichkeit mit einem Laser 161 gezeigt. Einfallende Laserstrahlung 162 wird vom Laser 161 ausgesendet und trifft auf das Masseelement 120. Vom Masseelement 120 reflektierte Lasterstrahlung 163 trifft auf eine Fotodiode 164. Wird das Masseelement 120 durch äußere Einflüsse in die Hubschwingungsmode versetzt, so wird die reflektierte Laserstrahlung 163 entsprechend abgelenkt und diese Ablenkung kann mittels der Fotodiode 164 detektiert werden. Die Fotodiode 164 kann dabei beispielsweise als positionssensitiver Fotodetektor ausgestaltet sein.
Neben der in Zusammenhang mit den 1 bis 3 gezeigten Ausgestaltungen der Befestigungen des Masseelements 120 an den Biegebalken 131, 132, 133, 134 sind auch weitere Ausgestaltungen denkbar.
4 zeigt eine Ansicht von unten auf eine mikromechanische Struktur 100 mit einer solchen alternativen Befestigung, die ansonsten aufgebaut sein kann wie in Zusammenhang mit den 1 bis 3 erläutert.
5 zeigt einen Querschnitt durch den ersten Biegebalken 131 der mikromechanischen Struktur 100 der 4. Zwischen dem ersten Biegebalken 131 und dem Masseelement 120 ist ein Sockel 144 angeordnet. Durch den Sockel 144 wird ein Abstand zwischen dem ersten Biegebalken 131 und dem Masseelement 120 eingestellt, so dass das Masseelement 120 oberhalb der Aufhängungsvorrichtung 110 angeordnet ist. Ein solcher Sockel 144 ist auch für die weiteren Biegebalken 132, 133, 134 vorgesehen. Ferner ist unterhalb des Sockels 144 am ersten Biegebalken 131 eine zusätzliche Verstärkung 145 angeordnet, mit der die mikromechanische Struktur 100 mechanische stabiler ausgestaltet werden kann. Ferner ist in 4 und 5 dargestellt, dass das Masseelement 120 den Sockel 144 jeweils überragt und somit das Masseelement 120 auch jeweils einen freien und damit biegbaren Teil des ersten Biegebalkens 131 und auch der weiteren Biegebalken 132, 133, 134 überragt. Dies ermöglicht einen kompakteren Aufbau der mikromechanischen Struktur, da das Masseelement 120 so insgesamt größer ausgestaltet werden kann, verglichen mit der Ausgestaltung der 1 bis 3 bei gleichbleibender erster Quaderseite 141. Der Befestigungspunkt 135 ist dabei jeweils in einer Mitte des Sockels 144 angeordnet.
In 5 ist ferner gezeigt, dass der erste Biegebalken 131 einen optionalen ersten Piezokristall 171 und einen optionalen zweiten Piezokristall 172 aufweist. Ferner kann vorgesehen sein, dass der erste Biegebalken 131 nur den ersten Piezokristall 171 aufweist. Die weiteren Biegebalken 132, 133, 134 können ebenso Piezokristalle 171, 172 aufweisen. Die erste Piezokristall 171 ist exemplarisch über einen ersten elektrischen Anschluss 173 und einen zweiten elektrischen Anschluss 174 mit einer Spannungsquelle 153 bzw. einem Voltmeter 154 verbunden. Der erste elektrische Anschluss 173 und der zweite elektrische Anschluss 174 können dabei wiederum dotierte Bereiche des ersten Biegebalkens 131 sein. Wird mittels der Spannungsquelle 153 eine Wechselspannung an den ersten Piezokristall 171 und gegebenenfalls vorhandene weitere Piezokristalle 171, 172 angelegt und entspricht eine Frequenz der Wechselspannung der Hubschwingungsfrequenz, so kann somit die Hubschwingungsmode 105 angeregt werden. Ferner kann eine durch ein Signal erzeugte Hubschwingung des Masseelements 120 mittels Spannungsabfalls am ersten Piezokristall 171 mittels des Voltmeters 154 detektiert werden. Die mikromechanische Struktur 100 kann also wiederum Teil eines Aktuators 200 oder eines Sensors 201 sein.
6 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere mikromechanische Struktur 100, die der mikromechanischen Struktur der 4 und 5 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Das Masseelement 120 überragt in dieser Ausgestaltung den Sockel 144 nicht. Ferner ist die Verstärkung 145 weggelassen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Masseelement 120 zwar den Sockel 144 nicht überragt, die Verstärkung 145 jedoch analog zur 5 vorgesehen ist. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass das Masseelement 120, wie in 5 gezeigt, den Sockel 144 überragt und aber im Gegensatz zu 5 die Verstärkung 145 weggelassen wird.
7 zeigt eine weitere Ansicht von unten einer mikromechanischen Struktur 100, die den mikromechanischen Strukturen 100 der 1 bis 6 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Biegebalken 131, 132, 133, 134 sind teilweise gestrichelt dargestellt, da in dieser Ausgestaltung das Masseelement 120 unterhalb der Biegebalken angeordnet ist. Ferner sind die Befestigungspunkte 135 identisch mit Ecken des Masseelements 120, so dass die erste Rechteckseite 137 der Länge, die zweite Rechteckseite 138 der Bereite 122 des Masseelements entspricht.
8 zeigt einen Querschnitt durch den ersten Biegebalken 131 der mikromechanischen Struktur 100 der 7, wobei in 8 verdeutlicht ist, dass die Befestigungsvorrichtung 110, das Masseelement 120 und die Biegebalken 131, 132, 133, 134 eine gemeinsame durchgehende Oberfläche aufweisen. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der mikromechanischen Struktur 100 in der dritten Richtung 103.
Die mikromechanischen Strukturen 100 der 1 bis 8, die, wenn beispielsweise auch dotierte Bereiche zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit als mikroelektromechanische Strukturen bezeichnet werden können, können mit den für Siliziummaterial gängigen Lithographie- und Ätzverfahren hergestellt werden. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass zunächst anhand einer Auslegung der mikromechanischen Struktur 100 erfolgt, wobei anhand von Abmessungen der Biegebalken 131, 132, 133, 134 und des Masseelements 120, Materialkonstanten der Biegebalken 131, 132, 133, 134 und des Masseelements 120 sowie einen Winkel 147 den Biegebalkenrichtungen 139 und den Rechteckseiten 137, 138 zunächst die Hubschwingungsfrequenz die erste Kippschwingungsfrequenz und die zweite Kippschwingungsfrequenz ermittelt werden. Anschließend wird die mikromechanische Struktur erzeugt. In diesem Verfahren kann ferner optional zusätzlich vorgesehen sein, dass, wenn beispielsweise die erste Kippschwingungsfrequenz und/oder die zweite Kippschwingungsfrequenz in einem Frequenzbereich liegen, der bei einem Einsatz der mikromechanischen Struktur 100 in einem Aktuator oder einem Sensor 201 freigehalten werden sollte, da in diesem Frequenzbereich Störeffekte auftreten könnten, so kann in einem weiteren Verfahrensschritt der Winkel 147 verändert und damit die erste Kippschwingungsfrequenz und die zweite Kippschwingungsfrequenz entsprechend angepasst werden. Dies kann solange wiederholt werden, bis ein zufriedenstellendes Ergebnis für die erste Kippschwingungsfrequenz und die zweite Kippschwingungsfrequenz erreicht wird. Ferner kann dabei vorgesehen sein, den Winkel 147 so lange zu verändern, bis die erste Kippschwingungsfrequenz und die zweite Kippschwingungsfrequenz identisch sind und somit zusammenfallen. Dadurch wird ein größtmöglicher Abstand der ersten Kippschwingungsfrequenz bzw. der zweiten Kippschwingungsfrequenz von der Hubschwingungsfrequenz erreicht.
9 zeigt ein Frequenzspektrum, das bei der Auslegung der mikromechanischen Struktur 100, beispielsweise der 1, ermittelt werden kann. Eine Hubschwingungsmode 105 und zwei Kippschwingungsmoden 106, 107 sind über einer Frequenz 108 aufgetragen. Im oberen Bereich der 9 sind zwei schraffierte Bereiche dargestellt, in denen die Kippschwingungsmoden 106, 107 nicht angeordnet sein sollen. Ein schraffierter Bereich um die Hubschwingungsmode 105 dient dazu, den vorgegebenen Abstand der Kippschwingungsfrequenzen zur Hubschwingungsfrequenz zu erreichen. Dies kann insbesondere mittels der Einstellung der Abmessungen der Biegebalken 131, 132, 133, 134 und des Masseelements 120 erreicht werden. In einem zweiten schraffierten Bereich können beispielsweise Störgrößen auftreten, beispielsweise Eigenfrequenzen eines Systems in dem ein Sensor oder Aktuator mit einer solchen mikromechanischen Struktur 100 eingesetzt werden soll. In diesem Bereich sind die Kippschwingungsmoden 106, 107. Nun kann gegebenenfalls der Winkel 147 verändert werden, um Kippschwingungsfrequenzen mit einem größeren Abstand untereinander zu erreichen, wie um unteren Teil der 9 dargestellt.
10 zeigt eine Ansicht einer mikromechanischen Struktur 100 analog zu 1 mit verändertem Winkel 147 der Biegebalkenrichtungen 139, so dass die Kippschwingungsfrequenzen einen größeren Abstand untereinander aufweisen verglichen mit der mikromechanischen Struktur 100 der 1, um den unerwünschten Frequenzbereich der 9 zu meiden. Dies kann beispielsweise über eine Verkleinerung des Winkels 147 erreicht werden. Analog können auch die mikromechanischen Strukturen 100 der 4 und 7 verändert werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Mikromechanische Struktur (100) mit einem Befestigungselement (110), einem Masseelement (120) und einer Aufhängungsvorrichtung (130), wobei die Aufhängungsvorrichtung (130) vier mit dem Befestigungselement (110) verbundene Biegebalken (131, 132, 133, 134) aufweist, wobei das Masseelement (120) mit dem Befestigungselement (110) über die Biegebalken (131, 132, 133, 134) verbunden ist, wobei jeder Biegebalken (131, 132, 133, 134) einen Befestigungspunkt (135) aufweist, wobei das Masseelement (120) an den Befestigungspunkten (135) befestigt ist, wobei die Befestigungspunkte (135) ein Rechteck (136) mit einer ersten Rechteckseite (137) und einer zweiten Rechteckseite (138) bilden, wobei die Biegebalken (131, 132, 133, 134) jeweils eine Biegebalkenrichtung (139) aufweisen, wobei die Biegebalkenrichtung (139) für jeden Biegebalken (131, 132, 133, 134) weder parallel zu einer der Rechteckseiten (137, 138) noch senkrecht zu einer der Rechteckseiten (137, 138) ist, wobei das Masseelement (120) eine Hubschwingungsmode (105) senkrecht zum Rechteck (136) aufweist, wobei die Hubschwingungsmode (105) eine durch Abmessungen des Masseelements (120) und Abmessungen der Biegebalken (131, 132, 133, 134) beeinflusste Hubschwingungsfrequenz aufweist, wobei das Masseelement (120) eine erste Kippschwingungsmode parallel zur ersten Rechteckseite (137) und eine zweite Kippschwingungsmode parallel zur zweiten Rechteckseite (138) aufweist, wobei eine erste Kippschwingungsfrequenz der ersten Kippschwingungsmode größer oder gleich einer zweiten Kippschwingungsfrequenz der zweiten Kippschwingungsmode ist, und wobei die zweite Kippschwingungsfrequenz einen vorgegebenen Abstand zur Hubschwingungsfrequenz aufweist.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei die Hubschwingungsfrequenz im Bereich zwischen 20 und 100 Kilohertz, insbesondere zwischen 20 und 60 Kilohertz, liegt.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Biegebalken (131, 132, 133, 134) jeweils quaderförmig sind und eine erste Quaderseite (141), eine zweite Quaderseite (142) und eine dritte Quaderseite (143) aufweisen, wobei die dritte Quaderseite (143) kleiner ist als die erste Quaderseite (141) und kleiner ist als die zweite Quaderseite (142), wobei die Biegebalkenrichtung (139) parallel zur ersten Quaderseite (141) ist.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 3, wobei die erste Quaderseite (141) zwischen 200 und 400 Mikrometer lang ist, wobei die zweite Quaderseite (142) zwischen 600 und 1000 Mikrometer lang ist und wobei die dritte Quaderseite (143) zwischen 10 und 30 Mikrometer lang ist.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Masseelement (120) quaderförmig ist und parallel zum Rechteck (136) der Befestigungspunkte (135) eine Länge (121) von mindestens 3500 Mikrometern und höchstens 4500 Mikrometern und eine Breite (122) von mindestens 2000 Mikrometern und höchstens 3000 Mikrometern aufweist und senkrecht zum Rechteck (136) eine Dicke (123) von mindestens 100 Mikrometern und höchstens 500 Mikrometern, insbesondere von mindestens 100 Mikrometern und höchstens 250 Mikrometern aufweist.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Winkel (147) zwischen der Biegebalkenrichtung (139) und den Rechteckseiten (137, 138) für jeden Biegebalken (131, 132, 133, 134) jeweils zwischen 10 und 80 Grad, insbesondere zwischen 30 und 60 Grad, beträgt.
Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 6, wobei der Winkel (147) derart gewählt ist, dass die erste Kippschwingungsfrequenz gleich der zweiten Kippschwingungsfrequenz ist.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend eine zumindest einen Piezokristall (171, 172) auf einem der Biegebalken (131, 132, 133, 134), wobei der Piezokristall (171, 172) mit einem ersten elektrischen Anschluss (173) und einem zweiten elektrischen Anschluss (174) verbunden ist, wobei eine elektrische Spannung zwischen dem ersten elektrischen Anschluss (173) und dem zweiten elektrischen Anschluss (174) abgegriffen und/oder angelegt werden kann.
Mikromechanische Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend eine erste Elektrode (151) am Masseelement (120) und eine zweite Elektrode (152) am Befestigungselement, wobei eine elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrode (151) und der zweiten Elektrode (152) abgegriffen und/oder angelegt werden kann.
Verfahren zum Herstellen einer Mikromechanische Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zunächst eine Auslegung der Mikromechanische Struktur (100) erfolgt, wobei anhand von Abmessungen der Biegebalken (131, 132, 133, 134) und des Masseelements (120), Materialkonstanten der Biegebalken (131, 132, 133, 134) und des Masseelements (120) sowie einem Winkel (147) zwischen den Biegebalkenrichtungen (139) und den Rechteckseiten (137, 138) zunächst die Hubschwingungsfrequenz, die erste Kippschwingungsfrequenz sowie die zweite Kippschwingungsfrequenz ermittelt wird, und anschließend die mikromechanische Struktur (100) erzeugt wird.
Aktuator (200) mit einer mikromechanischen Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mittels einer angelegten Spannung die Hubschwingung des Masseelements (120) angeregt werden kann.
Sensor (201) mit einer mikromechanischen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Hubschwingung des Masseelements (120) ermittelt werden kann.