DE4431478B4

DE4431478B4 - Aufhängung für mikromechanische Struktur und mikromechanischer Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE4431478B4
Application number: DE4431478A
Authority: DE
Inventors: Kurt Weiblen; Michael Dr.-Ing. Dr. Offenberg; Bernhard Dipl.-Phys. Elsner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-09-03
Filing date: 1994-09-03
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2014-09-04
Also published as: US5646347A; JP3654603B2; JPH0875784A; DE4431478A1

Abstract

Aufhängung für eine mikromechanische Struktur, wobei die mikromechanische Struktur über mindestens zwei Verankerungen (7) auf einem Substrat (1) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hebelelement (6) vorgesehen ist, daß die eine Seite des Hebelelements (6) an einer der beiden Verankerungen (7) befestigt ist, daß eine andere Seite des Hebelelements (6) einen ersten Angriffspunkt (16) bildet, an dem die mikromechanische Struktur befestigt ist, daß ein Ausgleichsbalken (8) vorgesehen ist, der an einem zweiten Angriffspunkt (15) an dem Hebelelement (6) angreift, und daß durch die Spannungen im Ausgleichselement (8) das Hebelelement (6) verbiegbar ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Aufhängung bzw. einem Beschleunigungssensor mit einer Aufhängung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Aus der WO92/03740 A1 ist bereits ein Beschleunigungssensor mit einer Aufhängung bekannt, der in Oberflächenmikromechanik hergestellt ist. Bei diesem Beschleunigungssensor wird die Aufhängung dadurch gebildet, daß ein Biegeelement zwischen zwei Verankerungspunkten aufgehängt ist, die auf einem Substrat verankert sind. An dem Biegeelement ist dann eine seismische Masse befestigt, durch die bei einer Beschleunigung eine Kraftwirkung auf das Biegeelement derart ausgeübt wird, daß sich das Biegeelement verbiegt. Bei einer derartigen Aufhängung des Biegeelements zwischen zwei Verankerungen kann es zu Spannungen zwischen dem Substrat und dem Biegeelement kommen, wenn sich das Material des Biegeelements im Verlauf des Herstellungsprozesses oder durch Temperaturunterschiede stärker ausdehnt oder zusammenzieht als das Substrat. Aus einem Artikel von Mohr et al.(Microsystem Technology 90, lst Int. Conference on Microsystems, Berlin, 10. bis 13. Sept. 1990, Springer-Verlag, Seite 529 ff.) ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen in Oberflächenmikromechanik bekannt, das zur Herstellung von Aufhängungen und entsprechenden Beschleunigungssensoren geeignet ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Aufhängung bzw. der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß Spannungen in den Biegeelementen eingestellt werden können. Es ist möglich die Struktur spannungfrei aufzuhängen oder, Druckspannungen in Zugspannungen oder Zugspannungen in Druckspannungen umzuwandeln. Die erfindungsgemäße Aufhängung erlaubt so beliebige mikromechanische Strukturen in Oberflächenmikromechanik mit definierter Spannung aufzuhängen. Beim Beschleunigungssensor mit der erfindungsgemäßen Aufhängung wird so die Temperaturabhängigkeit des Meßsignals verringert und die Genauigkeit des Sensors erhöht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Aufhängung bzw. des Beschleunigungssensors nach den unabhängigen Ansprüchen möglich.

Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungssensor mit der erfindungsgemäßen Aufhängung und
2 eine Seitenansicht der Aufhängung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 wird ein Beschleunigungssensor gezeigt, bei dem eine seismische Masse 2 an Biegeelementen 5 aufgehängt ist. Bei einer Beschleunigung in der Achse, die durch den Pfeil 30 angedeutet wird, verursacht die Kraftwirkung der seismischen Masse 2 auf die Biegeelemente 5 eine Auslenkung der seismischen Masse 2. Bei dieser Auslenkung der seismischen Masse 2 wird die bewegliche Elektrode 3, die an der seismischen Masse 2 aufgehängt ist, relativ zu den feststehenden Elektroden 4 bewegt. Die bewegliche Elektrode 3 und die feststehenden Elektroden 4 bilden Plattenkondensatoren, durch die die Beschleunigung dann nachweisbar ist. Dieser Aufbau des Beschleunigungssensors entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des Beschleunigungssensors, der bereits aus der WO92/03740 A1 bekannt ist. Die Befestigung der Biegeelemente 5 auf dem Träger 1 erfolgt durch Verankerungen 7. Die Biegeelemente 5 sind an ihren beiden Enden über Hebelelemente 6 mit den Verankerungen 7 verbunden. Weiterhin ist ein Ausgleichsbalken 8 mit den Hebelelementen 6 verbunden. Der Ausgleichsbalken 8 ist weiterhin mit einer zentralen Verankerung 7 auf dem Substrat 1 verankert. Die Verankerungen 7 sind schematisch dargestellt, um so das Verständnis, an welchen Stellen der Sensor auf dem Substrat 1 verankert ist, zu erleichtern.
Durch den Ausgleichsbalken 8 und die Hebelelemente 6 wird eine Aufhängung für die Biegeelemente 5 geschaffen, die es erlaubt, die in den Biegeelementen 5 auftretenden Spannungen exakt zu kontrollieren. Derartige Spannungen können beispielsweise entstehen, wenn das Material für die Biegeelemente 5 eine andere thermische Ausdehnung aufweist als das Material des Substrats und die Verankerung der Biegeelemente 5 auf dem Substrat bei einer anderen Temperatur als die normale Betriebstemperatur des Beschleunigungssensors erfolgt. Bei einer Temperaturveränderung ziehen sich das Substrat 1 und die Biegeelemente 5 unterschiedlich zusammen und es werden so Spannungen erzeugt. Aus der WO92/03740 A1 ist die Verwendung von Polysilizium als Material für den Beschleunigungssensor bekannt. Wenn derartige Polysiliziumschichten dotiert werden, so kann es dabei zu einer gewissen Ausdehnung der Polysiliziumschicht kommen und somit zur Erzeugung von Druckspannungen gegenüber dem Substrat 1. Für die Beschreibung der Funktionsweise der Aufhängung wird im folgenden davon ausgegangen, daß das Material für die Biegeelemente 5 unter Druckspannungen steht. Wenn die Biegeelemente 5, wie in der WO92/03740 A1, an ihren Enden starr eingespannt sind, so bleiben die Druckspannungen in den Biegeelementen 5 vollständig erhalten. Dadurch können die Biegeeigenschaften der Biegeelemente 5 beeinflußt werden, wobei dies zu einer nichtlinearen Kennlinie oder einer Hysterese in der Kennlinie des Sensors führen bzw. eine Temperaturabhängigkeit erzeugen kann. Besonders problematisch ist es, wenn die Druckspannungen so groß werden, daß es zu einer Euler-Knickung kommt. Eine gewisse Abhilfe besteht darin, daß die Biegeelemente 5 über Hebelelement 6 mit den Verankerungen 7 verbunden sind. Da die Hebelelemente 6 eine Elastizität aufweisen, werden die Hebelelemente 6 durch die Druckspannungen derart verbogen, daß sich die Druckspannungen in den Biegeelementen 5 verringern. Mit dieser Maßnahme allein können jedoch nicht alle Druckspannungen abgebaut werden. Für diesen Zweck ist der Ausgleichsbalken 8 vorgesehen. Der Ausgleichsbalken 8 ist ebenfalls mit den Hebelelementen verbunden, so daß auch er seine Druckspannungen auf die Hebelelemente 6 überträgt.
Durch den Ausgleichsbalken 8 werden somit die Hebelelemente 6 weiter verbogen, was zu einem weiteren Abbau von Druckspannungen in den Biegeelementen 5 führt. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Hebelelemente 6 können dabei auch die Druckspannungen im Material der Biegeelemente 5 und des Ausgleichsbalkens 8 in Zugspannungen in den Biegeelementen 5 umgewandelt werden. Dies ist der Fall, wenn der Ausgleichsbalken 8 zwischen der Aufhängung 7 und dem Biegeelement 5 auf Hebelelement 6 angreift. Der Angriffspunkt des Ausgleichsbalkens 8 wird mit 15 und der Angriffspunkt der Biegeelemente mit 16 bezeichnet. Je nach Abstand der beiden Angriffspunkte 15 und 16 von der Verankerung 7 des Hebelelements 6, wird ein Hebel mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis erzeugt. Durch eine kleine Versetzung des Angriffspunkts 15 kann so eine größere Versetzung des Angriffspunkts 16 erreicht werden. Durch die relative Lage des Angriffspunkts 15 relativ zum Angriffspunkt 16 können so die Druckspannungen im Biegeelement 5 vollständig abgebaut werden oder aber, sofern dies gewünscht ist, in Zugspannungen umgesetzt werden. Durch eine entsprechende Dicke des Ausgleichsbalkens 8 wird sichergestellt, daß die durch den Ausgleichsbalken 8 verursachte Kraftwirkung auf die Hebelelemente 6 ausreichend groß ist. Durch die zusätzliche Verankerung 7 in der Mitte des Ausgleichsbalkens 8 kann sichergestellt werden, daß die Kompensation der Spannungen symmetrisch zu den Biegeelementen 5 erfolgt, so daß die Linearität des Sensors sichergestellt wird. Die zusätzliche Verankerung des Ausgleichsbalkens ist jedoch nicht in allen Fällen erforderlich. Die konkreten geometrischen Abmessungen der Dicken der Biegeelemente 5, des Ausgleichsbalkens 8, der Hebelelemente 6 und die relative Lage der Angriffspunkte 15 und 16 muß ggf. empirisch oder mittels numerischer Berechnungen ermittelt werden. Die konkreten Abmessungen hängen vom Material der Mikrostrukturen und den gewünschten Spannungsverhältnissen ab. Es kann sowohl eine spannungsfreie Aufhängung wie auch eine Umwandlung von Druck- in Zug, oder Zug- in Druckspannungen erfolgen. Auch wenn das vorstehende Ausführungsbeispiel anhand von Druckspannungen beschrieben wurde, ist es in ebensolcher Weise geeignet, Zugspannungen zu kompensieren oder in Druckspannungen umzusetzen.
Die erfindungsgemäße Aufhängung wurde hier im Zusammenhang mit einem Beschleunigungssensor beschrieben. Bei Beschleunigungssensoren sind derartige Aufhängungen notwendig um sicherzustellen, daß die Meßempfindlichkeit des Sensors nicht von Spannungen in den Biegeelementen 5 beeinflußt wird. Prinzipiell ist jedoch die vorgeschlagene Aufhängung für jede Art von mikromechanischen Strukturen vorteilhaft, bei dem eine spannungslose Aufhängung erfolgen soll oder bei dem definierte Zug- oder Druckspannungen gewünscht sind. Spannungen zwischen Mikrostruktur und Substrat treten immer dann auf, wenn die Mikrostruktur an mindestens zwei Stellen mit dem Substrat verbunden ist. Sofern kein symmetrischer Aufbau der Mikrostruktur erwünscht ist, reicht es wenn die Spannungen durch an einer Verankerung 7 befestigtes Hebelelement 6 in Verbindung mit einem Ausgleichsbalken 8 beeinflußt werden.
Verfahren zur Herstellung derartiger Sensoren werden beispielsweise in der WO92/03740 A1 oder in dem eingangs zitierten Artikel von Mohr beschrieben. Generell sind derartige Aufhängungen jedoch für alle Verfahren der Oberflächenmikromechanik anwendbar. Bei diesen Verfahren wird der Ausgleichsbalken 8 zusammen mit den Biegeelementen 5 hergestellt und besteht somit aus dem gleichen Material und weist die gleichen Spannungen auf. Als Materialien für den Sensor kommen somit Silizium oder ein Metall in Frage. Es sind jedoch auch beliebige andere Materialien, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff denkbar, die ebenfalls in der Mikrotechnik verwendet werden.
In der 2 wird eine Seitenansicht auf den Sensor nach 1 entlang der Linie II-II gezeigt. Es wird so der Ausgleichsbalken 8 gezeigt, der mit den Verankerungen 7 auf dem Substrat 1 verankert ist. Abgesehen von der zentralen Verankerung 7 ist der Ausgleichsbalken 8 nur über das Hebelelement 6 mit dem Substrat 1 verbunden, so daß sich der Ausgleichsbalken 8 relativ zum Substrat 1 beliebig ausdehnen oder zusammenziehen kann. Die zentrale Verankerung des Ausgleichsbalkens 8 kann auch weggelassen werden. Ebenso sind die Biegeelemente 5, die seismische Masse 2, die Hebelelemente 6 und die beweglichen Elektroden 3 nur über Aufhängungen 7 mit dem Substrat 1 verbunden und können sich so frei gegenüber dem Substrat 1 bewegen.

Claims

Aufhängung für eine mikromechanische Struktur, wobei die mikromechanische Struktur über mindestens zwei Verankerungen (7) auf einem Substrat (1) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hebelelement (6) vorgesehen ist, daß die eine Seite des Hebelelements (6) an einer der beiden Verankerungen (7) befestigt ist, daß eine andere Seite des Hebelelements (6) einen ersten Angriffspunkt (16) bildet, an dem die mikromechanische Struktur befestigt ist, daß ein Ausgleichsbalken (8) vorgesehen ist, der an einem zweiten Angriffspunkt (15) an dem Hebelelement (6) angreift, und daß durch die Spannungen im Ausgleichselement (8) das Hebelelement (6) verbiegbar ist.
Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Hebelelement (6) vorgesehen ist, daß die eine Seite des zweiten Hebelelements (6) an der anderen Verankerung (7) befestigt ist, daß eine andere Seite des zweiten Hebelelements (6) einen ersten Angriffspunkt (16) bildet, an dem die mikromechanische Struktur befestigt ist, daß der Ausgleichsbalken (8) an einem zweiten Angriffspunkt (15) an dem zweiten Hebelelement (6) angreift, und daß durch die Spannungen im Ausgleichselement (8) das zweite Hebelelement (6) verbiegbar ist.
Aufhängung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Angriffspunkt (15) für den Ausgleichsbalken (8) zwischen dem ersten Angriffspunkt (16) für die Mikrostruktur und der Verankerung (7) angeordnet ist.
Aufhängung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsbalken (8) mit einer Verankerung (7) auf dem Substrat verankert ist, wobei diese Aufhängung zwischen den beiden Aufhängungen, an denen die Hebelelemente (6) befestigt sind, angeordnet ist.
Beschleunigungssensor mit einer seismischen Masse 2, die an Biegeelementen (5) derart aufgehängt ist, daß die seismische Masse durch eine Beschleunigung auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeelemente (5) mit einer Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufgehängt sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (2) bewegliche Elektroden (3) aufweist, die gegenüber von feststehenden Elektroden (4) angeordnet sind, wobei die feststehenden Elektroden (4) mittels Verankerungen (7) auf dem Substrat (1) befestigt sind.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse, die beweglichen Elektroden (3), die Biegeelemente (5), die Hebelelemente (6) und der Ausgleichsbalken (8) aus ein und demselben Material bestehen.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Sensor Silizium verwendet ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Sensor ein Metall verwendet wird ist.