DE19808549A1

DE19808549A1 - Mikromechanische Kammstruktur

Info

Publication number: DE19808549A1
Application number: DE19808549A
Authority: DE
Inventors: Jens Mohaupt; Markus Lutz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1998-02-28
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2018-03-01
Also published as: DE19808549B4; KR19990072964A; JPH11311635A; US6122964A; KR100572816B1

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft mikromechanische Kamm struktur, und insbesondere eine mikromechanische Kammstruk tur mit einer ersten Kammeinrichtung mit einer Mehrzahl von Zinken, einer zweiten Kammeinrichtung mit einer Mehrzahl von Zinken, wobei die Zinken der ersten Kammeinrichtung und die Zinken der zweiten Kammeinrichtung derart ineinandergrei fen, daß sie zur Bildung jeweiliger Sensor- und/oder Aktua torkondensatoren angeordnet sind.

Obwohl auf beliebige mikromechanische Kammstrukturen an wendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zu grundeliegende Problematik in bezug auf einen mikromechani sche Beschleunigungssensor erläutert.

Fig. 4 zeigt eine übliche mikromechanische Kammstruktur als einen Teil eines üblichen kapazitiven, lateral messen den Beschleunigungssensors. Der bekannte Beschleunigungs sensor weist eine seismische Masse 3 auf, welche über Bie gefedern 1 beweglich mit einer Verankerung 2 verbunden ist.

11a bezeichnet eine erste feststehende Kammstruktur, und 11b bezeichnet eine zweite feststehende Kammstruktur, wel che jeweils derart zu an der beweglichen seismischen Masse 3 vorgesehenen Kammstrukturen 8a bzw. 8b angeordnet sind, daß die Zinken 111 der ersten feststehenden Kammeinrichtung 11a und die Zinken 112 der zweiten feststehenden Kammein richtung 11b paarweise neben Zinken 80 bzw. 81 der Kammein richtungen 8a, 8b zur Bildung jeweiliger Meßkondensatoren angeordnet sind.

Solche kapazitiv messenden Beschleunigungssensoren haben üblicherweise lauter gleiche Kanmstrukturen 8a, 8b, 11a, 11b mit gleichlangen bzw. gleich gestalteten Zinken.

Damit die kleinen Nutzkapazitätsänderungen der Meßkondensa toren ausgewertet werden können, beaufschlagt man die Meß kondensatoren mit einem hochfrequenten elektrischen Signal von beispielsweise 20 kHz bis 2 MHz. Rechteckförmige, drei eckförmige o. ä. Auswertesignale haben viele noch höhere Frequenzen in ihrem Spektrum.

Der Grundmodus, d. h. die mechanische Resonanzfrequenz des Gliedes (gewünschte Auslenkung zur Messung einer Beschleu nigung) der sensitiven Richtung 6 liegt je nach Beschleuni gungsbereich zwischen wenigen 100 Hz und mehreren 1 kHz bis ca. 20 kHz.

Da die Kammstrukturen 8a, 8b, 11a, 11b freistehen, können sie sich auch selbst bewegen, wodurch ein weiterer höher frequenter mechanischer Modus 9, der sogenannte "Ärmchen modus" entsteht. Die Eigenresonanz eines Ärmchens liegt je nach geometrischer Form zwischen 20 kHz und 1 MHz, was ge nau in dem Bereich der elektrischen Auswertefrequenz liegt.

Die elektrische Anregungsspannung führt bekannterweise zu elektrostatischen Kräften zwischen den Kondensatorplatten. Bei Übereinstimmung der Eigenfrequenzen der Ärmchen und der elektrischen Auswertefrequenz oder einem spektralen Anteil davon werden die Ärmchen zu resonanten Schwingungen ange regt, und es kann zu erheblichen Störungen bei der Auswer tung kommen, da die Elektronik nicht unterscheiden kann, ob es sich um eine Eigenschwingung handelt oder um eine Schwingung aufgrund einer extern wirkenden Beschleunigung. Auch können solche Effekte die Temperaturgänge der Sensoren stark beeinflussen, da die Frequenzen der Oszillatoren tem peraturmäßig nicht stabil sind.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines zweiten De signs einer üblichen mikromechanischen Kammstruktur eines Beschleunigungssensors.

In Fig. 5 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Kompo nenten wie in Fig. 4. Zusätzlich sind beim zweiten Design gemäß Fig. 5 eine dritte und eine vierte feststehende Kamm struktur 12a bzw. 12b vorgesehen, so daß zwischen den be weglichen Kammstrukturen 8a, 8b der seismischen Masse 3 und den feststehenden Kammstrukturen erste und zweite Meßkon densatoren 4, 5 ähnlich wie bei dem Design von Fig. 4 für differentielle Messungen ausgebildet sind.

Fig. 3 ist ein Bodediagramm für die Anregung eines Be schleunigungssensors, der eine übliche Kammstruktur gemäß Fig. 4 oder 5 aufweist, entnehmbar, und zwar Fig. 3a) die Amplitude gegenüber der Anregungsfrequenz und Fig. 3b) die Phase gegenüber der Anregungsfrequenz.

In Fig. 3 bezeichnen 16 die Resonanzfrequenz der Nutzmodus, 17 die Resonanzfrequenz der Ärmchen bzw. Zinken und 18 die Open-Loop-Kreisverstärkung.

Insbesondere bei Closed-Loop-Meßverfahren, auch Lagerege lung oder Kraftkompensation genannt, kann ein geschlosse ner Regelkreis bei den üblichen Kammstrukturen instabil wer den, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Da die Resonanzüberhö hung der Ärmchen über die 0 dB-Linie ragt, wirkt der Regel kreis beim Schließen am Punkt 17 bzw. 17' instabil, d. h. er weist keine Amplitudenreserve mehr auf. Man könnte den Kreis mit weniger Kreisverstärkung schließen, hätte dann aber keine Vorteile mehr gegenüber dem Open-Loop-Meß verfahren.

Ein Versuch, diesem Problem zu begegnen, wurde bei dem Be schleunigungssensor ADLX50 von Analog Devices vorgenommen, wo ein Tiefpaß mit einer Abschneidefrequenz von ca. 100 Hz vorgeschaltet wurde. Dies führt zwar zu einem Schließen des Kreises, jedoch nur bei hinreichend niedriger Frequenz.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Designs ei ner üblichen mikromechanischen Kammstruktur eines mikrome chanischen Antriebs.

In Fig. 6 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 und 5 gleiche bzw. funktionsgleiche Komponenten. Darüber hinaus bezeichnen 13 eine bewegliche Masse, 14 eine ge wünschte Bewegungsrichtung und 15 einen parasitären Ärm chenmodus.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, werden in Antriebsrichtung 14 die Zinken 80 zwischen die Zinken 111 gegen den Widerstand der Biegefedern 1 gezogen.

Die oben geschilderten Nachteile hinsichtlich des Anre gungsfrequenzganges gelten in gleicher bzw. analoger Weise für solche kapazitiven Kammantriebe, wie in Fig. 6 veran schaulicht.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße mikromechanische Kammstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber den bekannten Lö sungsansätzen den Vorteil auf, daß die Verteilung der Ei genfrequenzen die Ausbildung von spektralen Störbereichen verhindert.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be steht darin, daß die Zinken mindestens einer der Kammein richtungen derart gestaltet sind, daß es eine Variation der mechanischen Eigenfrequenzen der Zinken gibt. Damit stört eine Anregung der mechanischen Eigenfrequenzen aufgrund der verbreiterten Eigenfrequenzverteilung nicht die Hochfre quenzanregung der Kondensatoren im Nutzmodus zu Meß- bzw. Antriebszwecken.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Rückregelung der Auslenkung auf Null beim Closed-Look-Verfahren auch bei hö heren Frequenzen möglich, so daß eine bessere Dynamik er zielbar ist.

Durch die Staffelung bzw. Verteilung der Eigenfrequenzen der Zinken bzw. Ärmchen wird die Amplitude des Ärmchenmodus (Störmodus) durch die Vielfalt der verschiedenen gestaffel ten Eigenfrequenzen reduziert. Mit anderen Worten werden die Maxima entsprechend dem Störmodus in Fig. 3 ver schmiert, so daß sie keine Bedeutung mehr für das Auswerte verfahren aufweisen. Dadurch gewinnt man für eine Closed- Loop-Auswertung mehr Amplitudenreserve und kann den Regel kreis mit der gewünschten höheren Kreisverstärkung schlie ßen.

Dasselbe gilt für die oben genannten Störungen bei der Aus wertung mit höher frequenten Signalen. Die Störungen werden reduziert durch die Anzahl der gewählten Staffelungen.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil dungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen mi kromechanischen Kammstruktur.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Zinken mindestens einer der Kammeinrichtungen eine variable Geome trie, und insbesondere eine variable Länge und/oder Breite und/oder Höhe, auf. Dies ist eine prozeßtechnisch günstige Vorgehensweise zur Verbreiterung des mechanischen Eigenfre quenzspektrums.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Zinken mindestens einer der Kammeinrichtungen einen varia blen Materialaufbau auf. Dies kann beispielsweise durch un terschiedliche Massenbelegung durch Abscheidung von Zusatz material auf den Zinken erreicht werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist je weils ein Paar zwei nebeneinanderliegender Zinken, von de nen der eine der ersten Kammeinrichtung und der andere der zweiten Kammeinrichtung angehört, dieselbe Geometrie auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung steigt die Länge von einem ersten Wert am einen Ende der jeweiligen Kammeinrichtung schrittweise auf einen zweiten Wert in der Mitte der jeweiligen Kammeinrichtung an und nimmt von dort zum anderen Ende hin wieder schrittweise auf den ersten Wert ab.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist zumin dest ein Teil der Zinken eine Doppelarmstruktur mit einem ersten Arm, einem zweiten Arm und mindestens einem dazwi schenliegenden Verbindungssteg auf. Dies ist eine weitere prozeßtechnisch günstige Vorgehensweise zur Durchstimmung der mechanischen Eigenfrequenzen, nämlich beispielsweise durch unterschiedliche Anzahlen und Lagen der Verbindungs stege.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungs form der erfindungsgemäßen mikromechanischen Kammstruktur;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines Zin kens mit Doppelarmstruktur bei der erfindungsge mäßen mikromechanischen Kammstruktur;

Fig. 3 ein Bodediagramm für die Anregung eines Beschleu nigungssensors, der eine Ausführungsform der er findungsgemäßen Kammstruktur aufweist, sowie für die Anregung eines Beschleunigungssensors, der eine übliche Kammstruktur gemäß Fig. 4 oder 5 aufweist, und zwar Fig. 3a) die Amplitude gegen über der Anregungsfrequenz und Fig. 3b) die Phase gegenüber der Anregungsfrequenz;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines ersten De signs einer üblichen mikromechanischen Kammstruk tur eines Beschleunigungssensors;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten De signs einer üblichen mikromechanischen Kammstruk tur eines Beschleunigungssensors; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Designs einer üblichen mikromechanischen Kammstruktur eines mi kromechanischen Antriebs.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungs form der erfindungsgemäßen mikromechanischen Kammstruktur.

In Fig. 1 bezeichnen 10 eine erste Kammeinrichtung, 20 eine zweite Kammeinrichtung, 101-105 Zinken der ersten Kammein richtung 10 und 201-205 Zinken der zweiten Kammeinrichtung 20.

Die Zinken 101 bis 105 der ersten Kammeinrichtung 10 und die Zinken 201 bis 205 der zweiten Kammeinrichtung 20 grei fen derart ineinander, daß sie paarweise nebeneinanderlie gend zur Bildung jeweiliger Meßkondensatoren angeordnet sind.

Die Zinken 101 bis 105 und 201 bis 205 der Kammeinrichtun gen 10, 20 sind derart gestaltet, daß jeweils ein Paar zwei nebeneinanderliegender Zinken 101, 201; 102, 202; 103, 203; 104, 204; 105, 205, von denen der eine der ersten Kammein richtung 10 und der andere der zweiten Kammeinrichtung 20 angehört, dieselbe Geometrie aufweist. Die Länge der Zinken steigt von einem ersten Wert am einen Ende der jeweiligen Kammeinrichtung 10, 20 schrittweise auf einen zweiten Wert in der Mitte der jeweiligen Kammeinrichtung 10, 20 an und nimmt von dort zum anderen Ende hin wieder schrittweise auf den ersten Wert ab.

So ergibt sich eine Variation der mechanischen Eigenfre quenzen der Zinken 101 bis 105 und 201 bis 205.

Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines Zinkens mit Doppelarmstruktur bei der erfindungsgemäßen mi kromechanischen Kammstruktur.

In Fig. 2 bezeichnen 300 einen Zinken mit Doppelarmstruk tur, 301 einen ersten Arm, 302 einen zweiten Arm, 303 einen Verbindungssteg am Ende des Zinkens 300 und 305 einen Ver bindungssteg in der Mitte des Zinkens 300.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die jeweilige Eigenfre quenz leicht durch Veränderung der Lage bzw. Länge des oder der Verbindungsstege eingestellt werden.

Fig. 3 ist ein Bodediagramm für die Anregung eines Be schleunigungssensors, der eine Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Kammstruktur aufweist, entnehmbar, und zwar Fig. 3a) die Amplitude gegenüber der Anregungsfrequenz und Fig. 3b) die Phase gegenüber der Anregungsfrequenz.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Ärmchenmodi im Bereich 19 verteilt und nicht mehr in der Spitze 17 konzentriert und tritt kein drastischer Phasensprung mehr auf. Daher wirken sich die Eigenfrequenzen nicht mehr störend auf das Meß- bzw. Regelverfahren aus.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo difizierbar.

Insbesondere können die Steifigkeiten der Kammzinken durch jegliche Variationen der Geometrie und des materiellen Auf baus verändert werden, also nicht nur durch variable Länge und/oder Breite und/oder Höhe.

Obwohl gemäß Fig. 1 jeweils ein Paar von Zinken dieselbe Geometrie aufweist, muß dies nicht so sein, sondern bereits innerhalb der Paare können Variationen der Geometrie vorge sehen sein.

Selbstverständlich ist die Kammstruktur gemäß der vorlie genden Erfindung auf alle bisher üblichen mikromechanischen Kammstrukturen ohne aufwendige Änderungen anwendbar.

Bezugszeichenliste

10

erste Kammeinrichtung

20

zweite Kammeinrichtung

101-105

Zinken der ersten Kammeinrichtung

201-205

Zinken der zweiten Kammeinrichtung

300

Zinken mit Doppelarmstruktur

301

erster Arm

302

zweiter Arm

303

Verbindungssteg am Ende

305

Verbindungssteg in der Mitte

16

Resonanzfrequenz Nutzmodus

17

,

17

'Resonanzfrequenz, Phasensprung Ärmchenmodus

19

,

19

'Resonanzfrequenz, Phasenverschiebung bei verteilten Eigenfrequenzen

18

Open-Loop-Kreisverstärkung

1

Biegefeder

2

Verankerung

3

seismische Masse

6

sensitive Richtung

9

Ärmchenmodus

8

a,

8

bKammstrukturen an seismischer Masse

11

a,

11

bfeststehende Kammstrukturen

111

,

112

Zinken

80

,

81

Zinken

12

a,

12

bfeststehende Kammstrukturen

121

,

122

Zinken

13

bewegliche Masse

14

Antriebsrichtung

15

Ärmchenmodus

Claims

1. Mikromechanische Kammstruktur mit:
einer ersten Kammeinrichtung (10) mit einer Mehrzahl von Zinken (101 bis 105);
einer zweiten Kammeinrichtung (20) mit einer Mehrzahl von Zinken (201 bis 205);
wobei
die Zinken (101 bis 105) der ersten Kammeinrichtung (10) und die Zinken (201 bis 205) der zweiten Kammeinrichtung (20) derart ineinandergreifen, daß sie zur Bildung jeweili ger Sensor- und/oder Aktuatorkondensatoren angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, daß
die Zinken (101 bis 105; 201 bis 205) mindestens einer der Kammeinrichtungen (10; 20) derart gestaltet sind, daß sich eine Variation der mechanischen Eigenfrequenzen der Zinken (101 bis 105; 201 bis 205) ergibt.

2. Mikromechanische Kammstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinken (101 bis 105; 201 bis 205) mindestens einer der Kammeinrichtungen (10; 20) eine varia ble Geometrie aufweisen, und insbesondere eine variable Länge und/oder Breite und/oder Höhe aufweisen.

3. Mikromechanische Kammstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinken (101 bis 105; 201 bis 205) mindestens einer der Kammeinrichtungen (10; 20) einen variablen Materialaufbau aufweisen.

4. Mikromechanische Kammstruktur nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Paar zwei nebeneinanderliegender Zinken (101, 201; 102, 202; 103, 203; 104, 204; 105, 205), von denen der eine der ersten Kammeinrichtung (10) und der andere der zweiten Kam meinrichtung (20) angehört, dieselbe Geometrie aufweist.

5. Mikromechanische Kammstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge von einem ersten Wert am einen Ende der jeweiligen Kammeinrichtung (10; 20) schrittweise auf einen zweiten Wert in der Mitte der jeweiligen Kammeinrichtung (10; 20) ansteigt und von dort zum anderen Ende hin wieder schrittweise auf den er sten Wert abnimmt.

6. Mikromechanische Kammstruktur nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Zinken (300) eine Doppelarmstruktur mit einem er sten Arm (301), einem zweiten Arm (302) und mindestens ei nem dazwischenliegenden Verbindungssteg (303, 305) auf weist.

7. Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einer Kammstruktur gemäß mindestens einem der vorhergehenden An sprüche.

8. Mikromechanischer Antrieb mit einer Kammstruktur gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.