DE102022203215A1

DE102022203215A1 - Micromechanical membrane sensor and manufacturing process

Info

Publication number: DE102022203215A1
Application number: DE102022203215.2A
Authority: DE
Inventors: Arne Dannenberg; Ferenc Lukacs; Isolde Simon
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanischer Membransensor, zum Beispiel ein Drucksensor, sowie ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Membransensor beansprucht. Dabei ist vorgesehen, dass der Membransensor eine Membran besitzt, die von einem Rahmenelement gehalten wird. Das Rahmenelement ist ferner auf einem Substrat aufgebracht, wobei sich zwischen dem Substrat und der Membran eine Kaverne oder eine Ausnehmung befindet. Sowohl das Rahmenelement, die Membran als auch das Substrat besteht vorzugsweise aus einem Halbleiter, wobei zusätzlich zumindest eine lokale Dotierung vorgesehen ist. Die Membran kann selber Erfassungselemente wie Piezowiderstände oder Temperatursensoren enthalten oder in Kombination mit dem Substrat oder auf dem Kavernenboden angebrachte Elektroden als kapazitiver Drucksensor realisiert werden. Um die Membran gegen ungewollte Bewegungen und somit eine nicht gewünschte Erzeugung von Sensormesswerten zu dämpfen, ist wenigstens ein Versteifungselement vorgesehen, welches die Bewegung der Membran einschränkt. Durch wenigstens ein derartiges Versteifungselement kann erreicht werden, dass die Membran nicht mehr mit jeder beliebigen Frequenz angeregt werden kann, zum Beispiel durch Stöße oder andere mechanischen Anregungen. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die Membran eine erste und eine zweite Achse aufweist, wobei die erste Achse länger als die zweite Achse ist und das wenigstens eine Versteifungselement im Wesentlichen entlang der längeren ersten Achse auf, in oder unter der Membran angeordnet ist.The present invention claims a micromechanical membrane sensor, for example a pressure sensor, and a manufacturing method for such a membrane sensor. It is provided that the membrane sensor has a membrane that is held by a frame element. The frame element is also applied to a substrate, with a cavity or a recess being located between the substrate and the membrane. Both the frame element, the membrane and the substrate preferably consist of a semiconductor, with at least one local doping being additionally provided. The membrane itself can contain detection elements such as piezoresistors or temperature sensors or can be implemented as a capacitive pressure sensor in combination with the substrate or electrodes attached to the cavern floor. In order to dampen the membrane against unwanted movements and thus unwanted generation of sensor measured values, at least one stiffening element is provided which restricts the movement of the membrane. With at least one such stiffening element it can be achieved that the membrane can no longer be excited at any frequency, for example by shocks or other mechanical stimuli. The core of the invention is that the membrane has a first and a second axis, the first axis being longer than the second axis and the at least one stiffening element being arranged essentially along the longer first axis on, in or under the membrane .

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Membransensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a micromechanical membrane sensor and a method for producing it.

Stand der TechnikState of the art

Bei mikromechanischen Membransensoren wird üblicherweise eine Membran oberhalb einer Ausnehmung oder Kaverne innerhalb einer Einfassung oder eines Rahmen vorgesehen. Mittels der dünnen Membran kann so eine thermische Entkopplung der Anregungs- und/oder Messelemente auf der Membran von dem Rahmen und/oder dem Substrat erreicht werden. Weiterhin kann mit der Membran eine Entkopplung der auf der Membran befindlichen Erfassungsmittel von mechanischem Stress des Rahmens erfolgen.In micromechanical membrane sensors, a membrane is usually provided above a recess or cavity within an enclosure or frame. By means of the thin membrane, thermal decoupling of the excitation and/or measuring elements on the membrane from the frame and/or the substrate can be achieved. Furthermore, the membrane can be used to decouple the detection means located on the membrane from mechanical stress on the frame.

Bei mikromechanischen Drucksensoren wird die Membran zur Erfassung eines an die Membran anliegenden Drucks eines Mediums verwendet. Hierbei erfassen beispielsweise Piezoelemente oder Elektroden die Durchbiegung der Membran.In micromechanical pressure sensors, the membrane is used to detect the pressure of a medium applied to the membrane. Piezo elements or electrodes, for example, record the deflection of the membrane.

Bei der Verwendung eines Membransensors kann nicht verhindert werden, dass die Membran durch äußere Anregung im Betrieb zu Schwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen können in den Erfassungsmitteln auf der Membran unerwünschte Sensorsignale erzeugen, die nicht den tatsächlich zu erfassenden Sensorgrößen entsprechen. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, die Membran gezielt an verschiedenen Stellen zu verdicken, um die Bewegung auf andere Stellen der Membran zu fokussieren. Die Schrift DE 199 32 541 A1 zeigt ein Verfahren für eine derartige Verdickung der Membranmitte. When using a membrane sensor, it cannot be prevented that the membrane is caused to oscillate due to external excitation during operation. These vibrations can generate unwanted sensor signals in the detection means on the membrane, which do not correspond to the sensor variables that are actually to be detected. For this purpose, provision can be made to specifically thicken the membrane at various points in order to focus the movement on other points on the membrane. The font DE 199 32 541 A1 shows a method for such a thickening of the center of the membrane.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein spezieller Aufbau eines Drucksensors beschrieben werden, bei der mit Hilfe einer gezielten Versteifung die Schwingung der Membran gedämpft wird.The present invention is intended to describe a special structure of a pressure sensor in which the vibration of the membrane is dampened with the help of targeted stiffening.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanischer Membransensor, zum Beispiel ein Drucksensor, sowie ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Membransensor beansprucht. Dabei ist vorgesehen, dass der Membransensor eine Membran besitzt, die von einem Rahmenelement gehalten wird. Das Rahmenelement ist ferner auf einem Substrat aufgebracht, wobei sich zwischen dem Substrat und der Membran eine Kaverne oder eine Ausnehmung befindet. Sowohl das Rahmenelement, die Membran als auch das Substrat besteht vorzugsweise aus einem Halbleiter, wobei zusätzlich zumindest eine lokale Dotierung vorgesehen ist. Optional kann auch vorgesehen sein, dass das verwendete Halbleitermaterial, zum Beispiel Polysilizium vollflächig dotiert ist. Dabei kann auch das Rahmenelement entsprechend vollflächig dotiert sein. Die Membran kann selber Erfassungselemente wie Piezowiderstände oder Temperatursensoren enthalten. Alternativ kann die Membran eine Elektrode aufweisen, die in Kombination mit einer weiteren Elektrode im Substrat oder auf dem Kavernenboden eine kapazitive Druckerfassung ermöglicht. Um die Membran gegen ungewollte Bewegungen und somit eine nicht gewünschte Erzeugung von Sensormesswerten zu dämpfen, ist wenigstens ein Versteifungselement vorgesehen, welches die Bewegung der Membran einschränkt. Durch wenigstens ein derartiges Versteifungselement kann erreicht werden, dass die Membran nicht mehr mit jeder beliebigen Frequenz angeregt werden kann, zum Beispiel durch Stöße oder andere mechanischen Anregungen. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die Membran eine erste und eine zweite Achse aufweist, wobei die erste Achse länger als die zweite Achse ist und das wenigstens eine Versteifungselement im Wesentlichen entlang der kürzeren zweiten Achse auf, in oder unter der Membran angeordnet ist.The present invention claims a micromechanical membrane sensor, for example a pressure sensor, and a manufacturing method for such a membrane sensor. It is provided that the membrane sensor has a membrane that is held by a frame element. The frame element is also applied to a substrate, with a cavity or a recess being located between the substrate and the membrane. Both the frame element, the membrane and the substrate preferably consist of a semiconductor, with at least one local doping being additionally provided. Optionally, it can also be provided that the semiconductor material used, for example polysilicon, is doped over the entire surface. The frame element can also be doped over the entire surface accordingly. The membrane itself can contain detection elements such as piezoresistors or temperature sensors. Alternatively, the membrane can have an electrode which, in combination with another electrode in the substrate or on the cavern floor, enables capacitive pressure detection. In order to dampen the membrane against unwanted movements and thus unwanted generation of sensor measured values, at least one stiffening element is provided which restricts the movement of the membrane. With at least one such stiffening element it can be achieved that the membrane can no longer be excited at any frequency, for example by shocks or other mechanical stimuli. The core of the invention is that the membrane has a first and a second axis, the first axis being longer than the second axis and the at least one stiffening element being arranged essentially along the shorter second axis on, in or under the membrane .

Durch eine Versteifung entlang der kurzen zweiten Achse wird ebenfalls die Anregung sowie die Schwingungen entlang der längeren ersten Achse behindert, insbesondere wenn mehrere Versteifungen nebeneinander in Richtung der längeren ersten Achse angeordnet sind. Da es bei der Membran entlang der längeren Achse zu deutlicheren Ausprägungen der Eigenschwingung beziehungsweise Schwingungsmoden kommen kann, ist eine Versteifung der Membran und somit Verhinderung zumindest eines Teils der Schwingungsmoden in dieser Richtung am effizientesten. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass eine geringere Querempfindlichkeit für bestimmte Störfrequenzen oder Auslesefrequenzen der Erfassungsmittel erreicht werden kann. Dies wird erreicht, indem die Membran-Eigenmoden in für den Betrieb und insbesondere für die Erfassung unkritische Bereiche verschoben werden können, ohne dass ein Verlust an Sensitivität erfolgt. Konkret bedeutet dass, dass die Schwingungseigenschaften verändert werden.A stiffener along the short second axis also hinders the excitation and the vibrations along the longer first axis, especially if several stiffeners are arranged next to one another in the direction of the longer first axis. Since the membrane's natural vibration or vibration modes can be more pronounced along the longer axis, stiffening the membrane and thus preventing at least some of the vibration modes in this direction is most efficient. The advantage of the design according to the invention is that a lower cross-sensitivity can be achieved for certain interference frequencies or readout frequencies of the detection means. This is achieved by being able to shift the membrane eigenmodes into areas that are not critical for operation and, in particular, for detection, without any loss of sensitivity. Specifically, this means that the vibration properties are changed.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Membran keine ovale oder rechteckige Form aufweist, so dass die erste und zweite Achse nicht im Wesentlichen senkrecht aufeinander ausgerichtet sein müssen. So kann die Membran auch die Form eines Parallelogramms aufweisen oder als gebogenen Form ausgebildet sein. Entsprechend kann die erste und die zweite Achse einen Winkel in einem Bereich von 20 bis 30 Grad, von 40 bis 50 Grad oder 75 bis 90 Grad einschließen Gerade durch eine nicht runde, ovale oder rechteckige Membrangestaltung können zusätzliche Eigenschwingungen vermieden werden. Besonders deutlich lässt sich das an einer um bis zu 270° gebogenen Membran zeigen, bei der die erste Achse einen ¾-Kreis repräsentiert.In one embodiment of the invention it can be provided that the membrane does not have an oval or rectangular shape, so that the first and second axes do not have to be aligned essentially perpendicular to one another. The membrane can also have the shape of a parallelogram or be designed as a curved shape. Accordingly, the first and second axes may include an angle in a range of 20 to 30 degrees, 40 to 50 degrees or 75 to 90 degrees. Straight line through a non-round, oval or right cky membrane design, additional natural vibrations can be avoided. This can be shown particularly clearly on a membrane that is bent by up to 270°, where the first axis represents a ¾ circle.

Mit dem wenigstens einen Versteifungselement kann zudem erreicht werden, dass die Eigenschwingung oder die Schwingungsmoden, mit der die Membran angeregt werden kann, in einen höheren und/oder niedrigeren Frequenzbereich verschoben werden, bei dem die Schwingung keinen Einfluss auf die Stabilität oder die Messewerterfassung der Membran ausüben kann.With the at least one stiffening element it can also be achieved that the natural vibration or the vibration modes with which the membrane can be excited are shifted to a higher and/or lower frequency range in which the vibration has no influence on the stability or the measurement value acquisition of the membrane can exercise.

Das Versteifungselement kann in einer ersten Varianten im Wesentlich zentral in der Mitte der Membran angeordnet werden, zum Beispiel in Form von Stäben. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass dieses wenigstens erste Versteifungselement in, auf oder an der Membran angeordnet ist und keinen Kontakt zum Rahmenelement aufweist.In a first variant, the stiffening element can be arranged essentially centrally in the middle of the membrane, for example in the form of rods. In particular, it is provided that this at least first stiffening element is arranged in, on or on the membrane and has no contact with the frame element.

Eine zweite Art von Versteifungselementen kann mit dem Rahmenelement verbunden sein und von diesem auf die Membran hineinragen. Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens eines der zweiten Versteifungselemente seitlich der größten Auslegung einer Mode der Membran am Rand angebracht ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei gegenüberliegende zweite Verbindungselemente vom Rand in die Membran hineinragen, um eine gleichmäßige Dämpfung der Schwingung zu erreichen.A second type of stiffening elements can be connected to the frame element and protrude from it onto the membrane. It is provided that at least one of the second stiffening elements is attached to the side of the largest design of a mode of the membrane on the edge. Furthermore, it can be provided that at least two opposing second connecting elements protrude from the edge into the membrane in order to achieve uniform damping of the vibration.

Eine dritte Art von Versteifungselementen lässt sich mittels ringförmigen oder ovalen Verdickungen auf der Membran realisieren. Hierbei sind diese dritten Versteifungselemente zentral um die Mitte der Membran angeordnet. Ist die erste Achse um ein Vielfaches länger als die zweite Achse, kann vorgesehen sein, dass die ringförmige oder ovale Versteifung um ein Zentrum der Membran entlang der ersten Achse herum angeordnet ist, welches auf einem n-fachen Vielfachen der halben Länge der zweiten Achse liegt.A third type of stiffening element can be implemented using ring-shaped or oval thickenings on the membrane. These third stiffening elements are arranged centrally around the middle of the membrane. If the first axis is several times longer than the second axis, it can be provided that the annular or oval stiffener is arranged around a center of the membrane along the first axis, which is at an n-fold multiple of half the length of the second axis .

Bei der Ausgestaltung der Versteifungselemente ist vorgesehen, dass sich wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Versteifungselement in Richtung der ersten Achse in ihrer Länge, Dicke und/oder Breite unterscheiden. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich nur ein Teil der angeordneten Versteifungselemente in diesen Charakteristiken unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich kann hier auch das Material der Versteifungselemente eine Rolle spielen. So können bei einer geeigneten Materialwahl ein oder mehrere zentrale Versteifungselemente eine stärkere Versteifung erzeugen als weiter außen liegende Versteifungselemente oder Versteifungselemente, die zwischen Modenbergen und Modentälern angeordnet sind.When designing the stiffening elements, it is provided that at least two stiffening elements arranged next to one another differ in their length, thickness and/or width in the direction of the first axis. It can be provided that only some of the arranged stiffening elements differ in these characteristics. Alternatively or additionally, the material of the stiffening elements can also play a role here. With a suitable choice of material, one or more central stiffening elements can produce a stronger stiffening than stiffening elements located further out or stiffening elements that are arranged between mode mountains and mode valleys.

Optional kann auch vorgesehen sein, dass sich wenigstens ein Teil der Versteifungselemente in unterschiedlichen Abständen voneinander befinden, das heiß, dass ein Teil der Versteifungselemente nicht äquidistant auf oder an der Membran angeordnet ist.Optionally, it can also be provided that at least some of the stiffening elements are at different distances from one another, which means that some of the stiffening elements are not arranged equidistantly on or on the membrane.

Generell soll mit den Versteifungselementen eine unerwünschte Schwingung verhindert werden. Durch die spezielle Ausgestaltung der Versteifungselemente sowie der Anordnung im Wesentlichen im Bereich der größten/maximalen Membranbewegungen kann dieses Ziel erreicht werden. Indem eine geeignete Anzahl, Größe oder Position für die Versteifungselemente gewählt wird, können eingekoppelte mechanische und/oder elektromagnetische Störungen gänzlich verhindert, abgemildert oder in andere Frequenzbereiche transferiert werden.In general, the stiffening elements are intended to prevent unwanted vibration. This goal can be achieved through the special design of the stiffening elements and the arrangement essentially in the area of the largest/maximum membrane movements. By selecting a suitable number, size or position for the stiffening elements, coupled mechanical and/or electromagnetic interference can be completely prevented, mitigated or transferred to other frequency ranges.

Die Versteifungselemente können bei der Herstellung des Membransensors ebenfalls mittels mikromechanischer Verfahrensschritte erzeugt werden. Dabei können die Versteifungselemente einzeln oder gemeinsam als Teil der Membran oder separat aufgebracht werden.The stiffening elements can also be produced using micromechanical process steps during the production of the membrane sensor. The stiffening elements can be applied individually or together as part of the membrane or separately.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.Further advantages result from the following description of exemplary embodiments or from the dependent patent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die 1 zeigt beispielhaft einen Aufbau eines mikromechanischen Membransensors. Mit der 2 wird eine rechteckige Membran eines Membransensors beschrieben, anhand dem die grundsätzliche Ausrichtung für die nachfolgenden Anordnungen der verschiedenen Versteifungselement in den 3a, 3b, 4, 5 und 6 gezeigt wird. Die 7a und 7b zeigen Membranformen, die von der klassischen runden, ovalen oder rechteckigen Form abweichen, bei denen jedoch ebenso eine Anwendung der vorliegenden Erfindung möglich ist.The 1 shows an example of a structure of a micromechanical membrane sensor. With the 2 A rectangular membrane of a membrane sensor is described, which is used to determine the basic alignment for the subsequent arrangements of the various stiffening elements in the 3a , 3b , 4 , 5 and 6 will be shown. The 7a and 7b show membrane shapes that deviate from the classic round, oval or rectangular shape, but in which an application of the present invention is also possible.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist ein typischer Aufbau eines insbesondere mikromechanischen Sensors dargestellt, an dem zunächst die wesentlichen Elemente eines derartigen Aufbaus erklärt werden. Membransensoren und insbesondere Drucksensoren besitzen zur Erfassung eines physikalischen und/oder chemischen Messgröße eine Membran 130, die oberhalb einer Kaverne 140 angeordnet ist. Die Membran 130 ist dabei als separates Element seitlich an einem Rahmenelement 110 befestigt oder einstückig mit dem Rahmenelement 110 verbunden. Weiterhin kann die Membran 130 beweglich ausgestaltet sein, zum Beispiel zu Realisierung eines Drucksensors, bei dem die Membran 130 auf einen von außen anliegenden Druck reagiert, indem sie sich durchbiegt und so eine Sensorgröße erzeugt. Das Rahmenelement 110 ist weiterhin mittels Kontaktierungsbereichen 120 auf einem Substrat 100 befestigt, wobei das Rahmenelement 110 zusammen mit der Membran 130 und dem Substrat 100 die Kaverne 140 umschließt. Zur Einstellung der Steifigkeit der Membran 130 können in, auf oder unterhalb der Membran 130 Versteifungselemente 150 beziehungsweise 155 angebracht sein. Durch diese Versteifungselemente 150 und/oder 155 kann die Reaktion der Membran 130 auf einen äußeren anliegenden Druck beeinflusst werden. So kann beispielsweise die Membran 130 steifer ausgestaltet wird, so dass die Membran 130 sich erst bei einem höheren Druck nennenswert, das heißt im Extremfall bin zum Kavernenboden durchbiegt. Weiterhin können die Versteifungselemente 150 und 155 die Membran 130 stabilisieren, um mögliche Brüche zu vermeiden.In the 1 A typical structure of a particularly micromechanical sensor is shown, in which the essential elements of such a structure are first explained. Membrane sensors and in particular pressure sensors have a membrane 130, which is arranged above a cavern 140, for detecting a physical and/or chemical measurement variable. The membrane 130 is attached as a separate element laterally to a frame element 110 or is integral with it connected to the frame element 110. Furthermore, the membrane 130 can be designed to be movable, for example to realize a pressure sensor, in which the membrane 130 reacts to an external pressure by bending and thus generating a sensor size. The frame element 110 is further fastened to a substrate 100 by means of contacting areas 120, the frame element 110 enclosing the cavern 140 together with the membrane 130 and the substrate 100. To adjust the rigidity of the membrane 130, stiffening elements 150 or 155 can be attached in, on or below the membrane 130. The reaction of the membrane 130 to an external pressure can be influenced by these stiffening elements 150 and/or 155. For example, the membrane 130 can be made stiffer, so that the membrane 130 only bends significantly at a higher pressure, that is, in extreme cases, towards the cavern floor. Furthermore, the stiffening elements 150 and 155 can stabilize the membrane 130 to avoid possible fractures.

In der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die zugrunde liegende Membran keine runde oder quadratische Grundfläche aufweist. Stattdessen wird von einer Membran 210 in einem Rahmenelement 200 ausgegangen, die wie in der 2 dargestellt länglich ausgestaltet ist, das heißt eine erste Achse 235 aufweist, die länger als die zweite Achse 245 ist. Statt einer rechteckigen Form wie in der 2 dargestellt, kann die Membran auch eine ovale Form, eine Parallelogramm-artige Form wie in 7a (siehe hierzu die lange erste Achse 350 sowie die kurze zweite Achse 340 der Membran 320) oder auch eine bogenförmige Struktur wie in 7b (siehe hierzu die lange erste Achse 450 sowie die kurze zweite Achse 440 der Membran 420) aufweisen. Bei derartigen langgestreckten Membranen kann es aufgrund von äußeren Einflüssen (Erschütterungen oder sonstigen thermischen oder elektromechanischen Anregungen) zu Schwingungen der Membran kommen, die anders geartet sind als bei symmetrischen Membranen. In der 3a ist ein Beispiel einer derartig langgestreckten rechteckigen Membran 220 dargestellt, welche in einem Rahmen 200 angeordnet ist. Wird die Membran 220 derart angeregt, dass sie in eine Eigenschwingung gerät, bilden sich charakteristische Eigenmoden aus, wie sie beispielhaft in der 3b dargestellt werden. Zu erkennen sind dabei zentrale Modenberge 300, Modentäler 310 sowie dazwischen liegenden Modennulldurchgänge 320. Um ungewollte und die Messgrößenerfassung negativ beeinflussende Schwingungen der Membran 220 zu verhindern, können Versteifungselemente 260 vorgesehen sein, die zentral nebeneinander entlang der langen ersten Achse 230 angeordnet sind und sich in Richtung der zweiten Achse 240 erstrecken. Darüber hinaus können auf dem Rahmen 200 am Übergang zur Membran 220 weitere Versteifungselemente 250 angeordnet sind, die ebenfalls Auswirkungen auf die Durchbiegung beziehungsweise Schwingungen der Membran 220 haben. Diese Versteifungselemente 250 können seitlich nebeneinander angeordnet sein, ohne dass sie sich berühren. Optional kann aber auch eine Verbindung aller oder eines Teils der Versteifungselemente 250 vorgesehen sein, zum Beispiel paarweise. Vorteilhafterweise sind die Versteifungselemente 250 zentral in Bezug auf die zweite Achse 240 angeordnet und überdecken zumindest einen wesentlichen Teil des Bereich auf der Membran 220 mit der maximalen Durchbiegung während der Eigenschwingungen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Versteifungselemente 250 wie in 3a dargestellt, über einen Großteil der Membran 220 durchgängig zentral nebeneinander in Richtung der ersten Achse 230 angeordnet sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Versteifungselemente 250 nur zentral im Bereich der Modenberge 300 und/oder Modentäler 310 angeordnet sind, das heißt, nicht im Bereich der Modennulldurchgänge 320.In the present invention it is provided that the underlying membrane does not have a round or square base. Instead, a membrane 210 in a frame element 200 is assumed, which is as in the 2 shown is elongated, that is, has a first axis 235 which is longer than the second axis 245. Instead of a rectangular shape like in the 2 shown, the membrane can also have an oval shape, a parallelogram-like shape as in 7a (see the long first axis 350 and the short second axis 340 of the membrane 320) or an arcuate structure as in 7b (see the long first axis 450 and the short second axis 440 of the membrane 420). With such elongated membranes, external influences (shocks or other thermal or electromechanical stimuli) can cause the membrane to oscillate, which are of a different nature than with symmetrical membranes. In the 3a An example of such an elongated rectangular membrane 220 is shown, which is arranged in a frame 200. If the membrane 220 is excited in such a way that it begins to oscillate, characteristic natural modes are formed, as exemplified in FIG 3b being represented. Central mode peaks 300, mode valleys 310 and mode zero crossings 320 in between can be seen. In order to prevent unwanted vibrations of the membrane 220 that negatively influence the acquisition of measured variables, stiffening elements 260 can be provided, which are arranged centrally next to one another along the long first axis 230 and are located in Direction of the second axis 240 extend. In addition, further stiffening elements 250 can be arranged on the frame 200 at the transition to the membrane 220, which also have an impact on the deflection or vibrations of the membrane 220. These stiffening elements 250 can be arranged laterally next to each other without touching each other. Optionally, however, a connection of all or part of the stiffening elements 250 can also be provided, for example in pairs. Advantageously, the stiffening elements 250 are arranged centrally with respect to the second axis 240 and cover at least a substantial part of the area on the membrane 220 with the maximum deflection during the natural vibrations. Furthermore, it can be provided that the stiffening elements 250 as in 3a shown, are arranged centrally next to each other in the direction of the first axis 230 over a large part of the membrane 220. Alternatively, it can be provided that the stiffening elements 250 are only arranged centrally in the area of the mode peaks 300 and/or mode valleys 310, that is, not in the area of the mode zero crossings 320.

Eine weitere Möglichkeit, die Bewegungen bei der Anregung der Membran 220 zu dämpfen wird in 4 gezeigt. Hierbei werden gerade in den Membranbereichen, in denen bei den Eigenschwingungen die maximalen Auslenkungen auftreten, den Modenbergen 300 und Modentälern 310, die Membranversteifung intensiviert. Zu diesem Zweck haben Versteifungselemente einer ersten Art 265 in diesen Bereichen eine größere Ausdehnung in Richtung der zweiten Achse 240. Optional kann vorgesehen sein, dass die Versteifungen im Zentrum der Modenberge 300 und Modentäler 310 variabel seitlich bis zur Mitte ansteigend verlängert werden. Wie bereits zur Ausgestaltung der 3a ausgeführt, kann zwischen den so verlängerten ersten Versteifungselementen 265 in Richtung der zweiten Achse 240 zwischen den Modenbergen und Modentälern eine Reihe von nebeneinander liegenden (einheitlich) kürzeren Versteifungselementen 260 liegen. In einer alternativen Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass keine weiteren Versteifungselemente zwischen den Modenbergen und Modentälern angeordnet sind.Another way to dampen the movements when the membrane 220 is excited is shown in 4 shown. The membrane stiffening is intensified especially in the membrane areas in which the maximum deflections occur in the natural vibrations, the mode peaks 300 and mode valleys 310. For this purpose, stiffening elements of a first type 265 have a greater extent in these areas in the direction of the second axis 240. Optionally, it can be provided that the stiffeners in the center of the mode mountains 300 and mode valleys 310 are variably extended laterally up to the middle. As already for the design of the 3a executed, a series of adjacent (uniformly) shorter stiffening elements 260 can lie between the thus extended first stiffening elements 265 in the direction of the second axis 240 between the mode peaks and mode valleys. In an alternative embodiment, it can also be provided that no further stiffening elements are arranged between the mode peaks and mode valleys.

Anhand der 5 wird eine weitere Möglichkeit gezeigt, die Membransteifigkeit zu verändern. Hierbei sind zweite Versteifungselement 255 am Randelement 250 angeordnet, die in die Membran 220 hineinragen. Diese zweiten Verbindungselement 255 können Teil des Rahmenelements 250 sein oder separat ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise sind diese zweiten Verbindungselemente 255 seitlich der maximalen Auslenkungen der Membran bei Eigenmoden angeordnet, das heisst seitlich der Modenberge 300 und/oder Modentäler 310. Dabei können mehrere der zweiten Versteifungselemente seitlich am Übergang von der Membran 220 zum Rahmenelement 250 in Richtung der ersten Achse 230 angeordnet sein, insbesondere an beiden Seiten der länglichen Membran. Mit den so in die Membran 220 ragenden zweiten Versteifungselementen 255 wird die Auslenkung der Membran für die entsprechende Mode unterdrückt. Alternativ oder zusätzlich können die zweiten Versteifungselement 255 auch an der kurzen Seite des Übergangs von der Membran 220 zum Rahmenelement 250 mittig angeordnet sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Verwendung der ersten und der zweiten Versteifungselemente 265 und 255 zusammen an der Membran 220 angeordnet sein.Based on 5 Another way to change the membrane stiffness is shown. Here, second stiffening elements 255 are arranged on the edge element 250, which protrude into the membrane 220. These second connecting elements 255 can be part of the frame element 250 or can be designed separately. These second connecting elements 255 are advantageously arranged to the side of the maximum deflections of the membrane in eigenmodes, that is to say to the side of the mode mountains 300 and/or mode valleys 310. In this case, several of the second stiffening elements may be arranged laterally at the transition from the membrane 220 to the frame element 250 in the direction of the first axis 230, in particular on both sides of the elongated membrane. With the second stiffening elements 255 projecting into the membrane 220, the deflection of the membrane for the corresponding mode is suppressed. Alternatively or additionally, the second stiffening element 255 can also be arranged centrally on the short side of the transition from the membrane 220 to the frame element 250. In a further embodiment, the use of the first and second stiffening elements 265 and 255 can be arranged together on the membrane 220.

Eine weitere Möglichkeit, die unerwünschten Schwingungen zu unterdrücken, besteht darin, die Membran 220 mit entsprechenden dritten Versteifungselementen 270 um das Zentrum der Modenberge und/oder Modentäler auszustatten. Die dritten Versteifungselemente 270 können dabei als umlaufender Ring innerhalb der Membran 220 oder als separate Elemente auf oder unter der Membran 220 angeordnet sein.Another possibility for suppressing the undesirable vibrations is to equip the membrane 220 with corresponding third stiffening elements 270 around the center of the mode peaks and/or mode valleys. The third stiffening elements 270 can be arranged as a circumferential ring within the membrane 220 or as separate elements on or under the membrane 220.

Generell sind alle vorstehenden Ausführungen der Versteifungselemente einzeln einsetzbar oder kombinierbar. Weiterhin können die Versteifungselemente unter oder auf der Membran angeordnet werden, zusammen mit dieser hergestellt oder in einem nachfolgenden insbesondere mikromechanischen Verfahren aufgebracht werden. Optional ist auch denkbar, die Versteifungselemente als Verdickung der Membran zu erzeugen.In general, all of the above versions of the stiffening elements can be used individually or combined. Furthermore, the stiffening elements can be arranged under or on the membrane, produced together with it or applied in a subsequent, in particular micromechanical, process. It is also optionally conceivable to create the stiffening elements as a thickening of the membrane.

Bei allen Ausführungen ist denkbar, die Länge, die Dicke und/oder die Breite zu variieren, um eine Dämpfung der Membran zu erreichen, insbesondere gegenüber unerwünschten Schwingungen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, die Versteifungselemente in der Mitte der Membran und/oder eines Modenbergs-/Tals breiter oder dicker auszugestalten und diese Versteifungselemente vom Zentrum aus radial nach außen dünner werden zu lassen.In all versions, it is conceivable to vary the length, thickness and/or width in order to achieve damping of the membrane, in particular against unwanted vibrations. For example, it can be provided that the stiffening elements in the middle of the membrane and/or a Modenberg/valley are made wider or thicker and that these stiffening elements become thinner radially outwards from the center.

In einer optionalen Ausgestaltung können separate Membranen erzeugt und im Rahmenelement aufgespannt werden, wobei jeweils aufeinander folgende Membran sich an ihrem Rand berühren, so dass eine Schwingung über alle Membranen weitergeleitet werden kann.In an optional embodiment, separate membranes can be produced and clamped in the frame element, with successive membranes touching each other at their edge, so that a vibration can be transmitted across all membranes.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die vorstehend ausgeführten Versteifungselemente derart auf der Membran oder am Randelement anzuordnen, dass im Wesentlichen ungerade Schwingungsmoden unterdrückt werden.In a special embodiment of the invention, it is provided to arrange the stiffening elements described above on the membrane or on the edge element in such a way that essentially odd vibration modes are suppressed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19932541 A1 [0004]

Claims

Micromechanical membrane sensor, in particular pressure sensor, with at least • a substrate (100), and • a frame element (200) arranged on the substrate (100), and • a membrane (210) which is held by the frame element (200), and • a cavern (140) below the membrane (210), and • a stiffening element (255, 260, 265, 270), which is assigned to the membrane (210), the stiffening element (255, 260, 265, 270) being on the Membrane (210) or the frame element (200) is arranged so that natural vibration of the membrane (210) is prevented, characterized in that the membrane (210) has a first axis (230, 235) and a second axis (240, 245) has, wherein the first axis (230, 235) is longer than the second axis (240, 245), and the stiffening element (255, 260, 265, 270) is arranged substantially along the second axis (230, 235).

Micromechanical membrane sensor Claim 1 , characterized in that the at least one stiffening element (255, 260, 265, 270) shifts the natural oscillation or a mode into a higher or lower frequency range.

Micromechanical membrane sensor Claim 1 or 2 , characterized in that at least one first stiffening element (260, 265) is arranged substantially centrally in the center of the membrane (210), in particular with respect to the second axis.

Micromechanical membrane sensor Claim 1 or 2 , characterized in that at least one second stiffening element (255) is arranged on the frame element (200) and projects at least partially onto or into the membrane surface, it being in particular provided that the at least second stiffening element (255) is located on the side of the largest deflections of a mode of the membrane are arranged.

Micromechanical membrane sensor Claim 4 , characterized in that at least two second stiffening elements (255) are arranged opposite each other on the membrane edge on the frame element (200).

Micromechanical membrane sensor Claim 1 or 2 , characterized in that at least a third stiffening element (255) is provided as a circumferential thickening of the membrane (210) of the central central region.

Micromechanical membrane sensor according to one of the preceding claims, characterized in that at least two stiffening elements (255, 260, 265, 270) arranged next to one another are provided in the direction of the first axis, the stiffening elements (255, 260, 265, 270) being in the direction of second axis (240, 245) at least partially differ in their length, thickness and / or width.

Micromechanical membrane sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of stiffening elements (255, 260, 265, 270) arranged next to one another are provided in the direction of the first axis (230, 235), the distances between the stiffening elements (255, 260, 265 , 270) in the direction of the second axis (240, 245) at least partially differ

Method for producing a membrane sensor according to one of Claims 1 until 8th by means of micromechanical methods, wherein for production • a frame element (200) with a membrane (210) is applied to a substrate (100) in such a way that a cavity (140) is arranged below the membrane (210), and • at least one stiffening element ( 255, 260, 265, 270), which is assigned to the membrane (210), the stiffening element (255, 260, 265, 270) being generated on the membrane (210) or the frame element (200) in such a way that a Natural oscillation of the membrane (210) is shifted to a higher or lower frequency range, characterized in that the membrane (210) has a first axis (230, 235) and a second axis (240, 245), the first axis (230, 235) is longer than the second axis (240, 245), and the stiffening element (255, 260, 265, 270) is generated substantially along the first axis (230, 235).

Procedure according to Claim 9 , characterized in that at least a first stiffening element (260, 265) is generated substantially centrally in the middle of the membrane (210), in particular with respect to the second axis.

Procedure according to Claim 9 , characterized in that at least one second stiffening element (255) is produced on the frame element (200), which projects at least partially onto or into the membrane surface, it being in particular provided that at least two second stiffening elements (255) are opposite on the membrane edge on the frame element (200 ) be generated.

Procedure according to one of the Claims 9 until 11 , characterized in that at least two stiffening elements (255, 260, 265, 270) arranged next to one another are produced in the direction of the first axis, the stiffening elements (255, 260, 265, 270) being in the direction of the second axis (240, 245). differ at least partially in their length, thickness and/or width.

Procedure according to one of the Claims 9 until 12 , characterized in that a plurality of stiffening elements (255, 260, 265, 270) arranged next to one another are generated in the direction of the first axis (230, 235), the distances between the stiffening elements (255, 260, 265, 270) being in the direction of the second Axis (240, 245) at least partially differ