DE602004007877T2

DE602004007877T2 - Mikroelektromechanisches System

Info

Publication number: DE602004007877T2
Application number: DE602004007877T
Authority: DE
Inventors: Bertrand 1446 Dutoit; Sophie 2000 Birling; Jean-Michel 2000 Stauffer; Yves 1442 Dupraz
Original assignee: Colibrys SA
Current assignee: Safran Colibrys SA
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2024-03-03
Also published as: DE602004007877D1; EP1571454B1; ATE368863T1; US7170140B2; EP1571454A1; US20050194652A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches System (MEMS, Mikro Electro Mechanical System). Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Beschleunigungsmesser in der Form eines mikroelektromechanischen Systems.
Mikroelektromechanische Systeme oder MEMS sind miniaturisierte Systeme, welche auf der Basis von aus der Mikroelektronik entstandenen Mikro- und Nanotechnologien hergestellt werden. Sie integrieren im Allgemeinen mechanische und/oder elektromechanische Elemente, welche durch Strukturierung einer oder mehrerer Schichten von Halbleitersubstrat geformt werden. Zu den Anwendungen von MEMS zählen beispielsweise Beschleunigungsmesser, optische Schalter, Mikromotoren, usw. Die Ausführung von MEMS erlaubt eine Miniaturisierung dieser Komponenten sowie eine Integration der möglichen, für ihre Steuerung benötigten elektronischen Schaltungen.
Ein Beschleunigungsmesser umfasst generell eine Schwungmasse, die sich entlang mindestens einer Achse bewegen kann, und deren Bewegung, wenn der Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung entlang dieser Achse erfährt, die Variation einer physikalischen Grösse, beispielsweise eines elektrischen Werts induziert. Die Messung dieser Variation erlaubt dann den Absolutwert und/oder die Richtung der Beschleunigung, die der Beschleunigungsmesser und/oder das an ihn gebundenes Element erfährt, zu bestimmen.
Ein kapazitiver Beschleunigungsmesser umfasst beispielsweise eine elektrisch leitende Schwungmasse, die gegenüber mindestens einer vorzugsweise festen Elektrode angeordnet wird, ohne mit ihr in Kontakt zu stehen. Das Ganze bildet somit einen Kondensator, dessen mechanische und elektrische Eigenschaften, insbesondere die Kapazität, gemäss der Bewegungen der Schwungmasse variieren.
Gemäss einem Messverfahren werden die vom Beschleunigungsmesser erfahrenen Beschleunigungen durch Messung der durch die Bewegungen der Schwungmasse induzierten Kapazitätsvariationen bestimmt. Man spricht dann von direkter Messung.
Gemäss einem äquivalenten Verfahren werden elektrostatische Kräfte auf die Schwungmasse und die Elektrode angesetzt, so dass die relative Position dieser beiden Elemente stabil bleibt. Die Messung der Kapazitätsvariationen dient also als Fehlersignal, um die angesetzten Kräfte zu regulieren, wobei die Variationen dieser Kräfte dann zur Messung der durch die Schwungmasse erfahrenen Beschleunigungen dienen,
Unabhängig des gewählten Messverfahrens hängt die Messgenauigkeit stark von der mechanischen Stabilität des Beschleunigungsmessers ab, insbesondere von der Geometrie seiner Elektrode oder Elektroden und vom Abstand zwischen ihnen und der ruhenden Schwungmasse.
Beschleunigungsmesser werden in vielen Anwendungen verwendet. Im Allgemeinen können sie auf jedem Objekt, von dem man die Beschleunigungen messen will, angebracht werden. Für gewisse Anwendungen ist die Grösse des Beschleunigungsmessers ein wesentliches Element, wobei diese Grösse oft vorzugsweise so klein wie möglich ist, um eine optimale Integration des Beschleunigungsmessers zu ermöglichen. Die Masse des Beschleunigungsmessers ist ebenfalls vorzugsweise minimal, um seinen Einfluss auf das Objekt der Messung zu minimieren.
Einige besonders kleine und leichte Beschleunigungsmesser sind MEMS, welche generell durch Strukturierung von mehreren verschiedenen und übereinander liegenden Schichten eines Halbleitermaterials geformt werden, beispielsweise aus Silizium. Diese Konstruktion ermöglicht die Herstellung von miniaturisierten Beschleunigungsmessern, deren grössten Dimensionen einige Millimeter nicht überschreiten.
Beschleunigungsmesser werden insbesondere in den Dokumenten US-A-6105428 , US-A-5627397 , JP-A-01163620 , US-A-5777226 und WO-A-0303414 beschrieben werden. In allen diesen Dokumenten werden die Bewegungen der Schwungmasse eingeschränkt durch Anschläge oder andere Elemente, welche die Verformungen oder Brüche der elastischen Verbindungszone zwischen der Schwungmasse und dem Gestell des Beschleunigungsmessers verhindern.
Da der Abstand zwischen der Schwungmasse und der Elektrode oder den Elektroden solcher Beschleunigungsmesser jedoch ebenfalls auch sehr klein ist, sind Letztere besonders empfindlich auf sogar sehr kleine mechanische Verformungen. Deshalb ist es unerlässlich, dass ihr aktiver Teil, d.h. der Teil mit der Schwungmasse und der Elektrode oder den Elektroden, mechanisch so stabil wie möglich ist. Jedoch sind die praktisch unvermeidbaren Belastungen, die auf einen solchen Beschleunigungsmesser durch seine Befestigung auf einem Träger ausgeübt werden, insbesondere die möglichen wegen Unregelmässigkeiten der Adhäsionskraft oder der Trägerfläche verursachten Verdrehungen und Biegungen, oft genügend, um Verformungen des aktiven Teils zu verursachen, was spürbare Messfehler auslöst, beispielsweise wegen der Verformung der Elektroden.
Die internationale Patentanmeldung WO00/79287 und das Patent US6634231 beschreiben zum Beispiel Lösungen, die zumindest teilweise den aktiven Teil des Beschleunigungsmessers von den mechanischen Belastungen, welche auf seinen Befestigungselementen ausgeübt werden, zu isolieren vermögen. Gemäss diesen Lösungen wird der Beschleunigungsmesser nur durch ein starres Gestell befestigt, auf welchem der aktive Teil durch Befestigungen, die eine gewisse Flexibilität aufweisen, verbunden ist. Die mechanischen Belastungen, die auf das Gestell ausgeübt werden, werden somit durch die Befestigungen aufgefangen, anstatt dass sie auf den aktiven Teil übertragen werden.
Eine ähnliche Lösung wird in US-A1-2001047688 beschrieben.
Ein Hauptnachteil dieser Konstruktionen ist, dass ihr mechanischer Widerstand durch den Widerstand der Befestigungen eingeschränkt wird. Tatsächlich, über eine gewisse Beschleunigung hinaus, wird die Bewegung des aktiven Teils in Bezug auf das starre Gestell eine irreversible Verformung oder sogar einen Bruch der Befestigungen und somit die Zerstörung des Beschleunigungsmessers verursachen.
Solche Beschleunigungsmesser können demzufolge nicht bedeutenden Beschleunigungen unterworfen sein, ohne eine irreversible Beschädigung zu riskieren. Sie sind somit besonders auf Schocks empfindlich und können in gewissen Anwendungen wie beispielsweise in der Ballistik nicht verwendet werden, wo die Beschleunigungen momentan mehrere zehntausend Male der durch die Erdanziehungskraft verursachten G-Beschleunigung erreichen können.
Ein Ziel der Erfindung ist es somit, einen Beschleunigungsmesser kleiner Dimension vorzuschlagen, der zuverlässige und genaue Messungen ermöglicht.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen Beschleunigungsmesser vorzuschlagen, der einen maximalen mechanischen Widerstand gegen starke Beschleunigungen aufweist.
Erreicht werden diese Ziele durch einen Beschleunigungsmesser mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs, wobei vorteilhafte Varianten zudem in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung angegeben werden.
Erreicht werden diese Ziele insbesondere durch ein mikroelektromechanisches System (MEMS) mit:
einem aktiven Teil mit einer elektromechanischen Vorrichtung,
mindestens einem Sockel für die Befestigung des Mikrosystems auf einer Unterlage,
mindestens einer Befestigung, welche den aktiven Teil mit dem Sockel verbindet und eine Bewegung des aktiven Teils in Bezug auf den Sockel entlang einer zur Ebene der Unterlage deutlich senkrechten Achse erlaubt, wenn das besagte Mikrosystem auf der Unterlage befestigt ist,
Anschlagelementen, um die Amplitude der Bewegungen des aktiven Teils in Bezug auf den Sockel einzuschränken.
Da der aktive Teil sich in Bezug auf den Sockel, an welchem er befestigt ist, bewegen kann, ist er von jeglicher mechanischen Belastung, welcher der Sockel ausgesetzt werden könnte, insbesondere von den wegen seiner Befestigung auf einer Unterlage verursachten Verdrehungen und/oder Biegungen, isoliert. Andererseits, da die Bewegungen des aktiven Teils durch die Anschlagelemente eingeschränkt werden, kann dank der Erfindung gewährleistet werden, dass die Befestigung oder Befestigungen nicht über ihrer Elastizitätszone hinaus gestreckt werden, was somit ihre irreversible Verformung und/oder ihren Bruch verhindert.
Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden anhand der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, illustriert durch die 1 bis 4, worin:
1 zeigt eine explodierte und schematische Ansicht eines Beschleunigungsmessers gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist einen Beschleunigungsmesser gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, auf einer Unterlage befestigt.
3 zeigt eine explodierte und schematische Ansicht eines Beschleunigungsmessers gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein Beschleunigungsmesser gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung, auf einer Unterlage befestigt.
Gemäss einer durch die 1 und 2 illustrierten bevorzugten Ausführungsform ist das Mikroelektromechanische System (MEMS, Micro Electro Mechanical System) der Erfindung ein Beschleunigungsmesser mit drei separaten Schichten 1, 2, 3 eines Halbleitermaterials, beispielsweise aus Silizium. Die drei Schichten 1, 2, 3 sind vorzugsweise elektrisch unter einander durch nicht dargestellte isolierende Schichten isoliert, welche zumindest teilweise ihre aneinander grenzenden Flächen decken und somit zu ihrer mechanischen Verbindung zu einander beitragen. Diese isolierenden Schichten werden beispielsweise durch Oxydierung der Oberfläche der entsprechenden Siliziumschicht geformt und können je nach Bedarf durch bekannte Techniken strukturiert werden, z.B. Photolithografie.
Aus Gründen der Vereinfachung werden lediglich die Strukturierungen der Halbleiterschichten 1, 2, 3 auf den 1 und 2 dargestellt.
Die untere Schicht 1 und die obere Schicht 3 werden strukturiert, beispielsweise durch Photolithografie, um einen zentralen Teil 10 bzw. 30 und von einander unterschiedliche, vorzugsweise mechanisch gänzlich separate Sockelelemente 12 bzw. 32 zu bilden. Auf den zentralen Teilen 10 bzw. 30 der unteren Schicht 1 und oberen Schicht 3 werden nicht dargestellte Elektroden gebildet. Diese Elektroden werden beispielsweise durch lokale Implantation des Halbleitermaterials gebildet und sind dazu bestimmt, im zusammengebauten Beschleunigungsmesser gegenüber der Schwungmasse 28 angeordnet zu werden.
Die obere Schicht 3 umfasst zudem auf ihrem zentralen Teil 30 Anschläge 37, deren Rolle weiter unten beschrieben wird. Diese Anschläge 37 bestehen vorzugsweise aus herausragenden Teilen, die auf den Flächen des zentralen Teils 30 gegenüber den Sockelelementen 32 gebildet werden. Die Länge dieser Anschläge 37 ist vorzugsweise merklich kürzer als die Länge der Flächen des zentralen Teils 30, auf welchen sie gebildet sind. Gemäss einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst der zentrale Teil nur einen Anschlag auf jeder gegenüber den Sockelelementen 32 orientierten Fläche. Die Länge dieser Anschläge kann dann identisch mit der Länge der Fläche selbst sein.
Die Zwischenschicht 2 wird strukturiert, beispielsweise durch Photolithografie, um einen zentralen Teil 20 zu bilden mit Dimensionen, die vorzugsweise einigermassen gleich wie die Dimensionen der zentralen Teile 10 bzw. 30 der unteren Schicht 1 und der oberen Schicht 3 sind. Die Zwischenschicht umfasst ebenfalls Sockelelemente 22 die dazu bestimmt sind, mit den entsprechenden Sockelelementen 12, 32 der anderen Schichten zusammengebaut zu werden. Der zentrale Teil 20 der Zwischenschicht 2 wird strukturiert, um eine Schwungmasse 28 zu bilden, welche vorzugsweise von einem Gestell 29 umrahmt wird, mit welchem sie durch mindestens eine flexible Zone 290 verbunden ist, die ihr erlaubt, sich entlang mindestens einer Achse in Bezug auf Letzterer bewegt zu werden.
Der zentrale Teil 20 wird mit den Sockelelementen 22 durch die ebenfalls in der Zwischenschicht 2 strukturierten Befestigungen 21 verbunden. Im durch die Figuren dargestellten Beispiel ist der zentrale Teil 20 rechteckig und eine Befestigung 21 verbindet jeden seiner Winkel mit dem am nächsten liegenden Sockelelement 22. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass andere Anordnungen der Befestigungen und/oder eine andere Anzahl von Befestigungen im Rahmen der Erfindung perfekt denkbar sind.
Die Befestigungen 21 weisen eine gewisse Elastizität aus, die eine Bewegung des zentralen Teils 20 in Bezug auf die Sockelelemente 22 erlauben, ohne dass dies ihre irreversible Verformung hervorruft. Die Form der Befestigungen 21 wird vorzugsweise gewählt, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften aufzuweisen, insbesondere die entlang der möglichen Bewegungsachse oder Achsen des zentralen Teils 20 gewünschte Elastizität, während sie so kompakt wie möglich sind.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform erlauben die Befestigungen 21, in ihrer Elastizitätszone, eine Bewegung des zentralen Teils 30 in Bezug auf die Sockelelemente 22 entlang der linear unabhängigen Achsen X, Y, Z. Vorzugsweise erlauben die Befestigungen 21 ebenfalls eine Drehung des zentralen Teils 20 in Bezug auf die Sockelelemente 22 um diese drei Achsen X, Y, Z, ohne ihre irreversible Verformung mit sich zu bringen. Der zentrale Teil 20 ist somit ganz von den Belastungen, insbesondere von möglichen Verdrehungen und Biegungen, die auf die Sockelelemente 22 ausgeübt werden können, entkoppelt. Wie weiter unten erklärt wird, sind die Befestigungen 21 vorzugsweise so strukturiert, um eine maximale Elastizität entlang einer zur Ebene der Unterlage 8 einigermassen parallelen Achse X, wenn der Beschleunigungsmesser dort befestigt wird, und eine verminderte Elastizität entlang der Achsen Y und Z zu bieten.
Im auf der 2 dargestellten zusammengebauten Beschleunigungsmesser wird die Schwungmasse 28 zwischen den zwei Elektroden durch die elastische Zone, die ihn mit dem ihn umrahmenden Gestell verbindet, aufgehängt. Jede Elektrode bildet somit mit der Schwungmasse einen Kondensator, dessen Kapazität von der Fläche der Schwungmasse, von der Fläche der entsprechenden Elektrode, vom Abstand zwischen diesen beiden Elementen und von der nichtleitenden Konstante der sich zwischen ihnen befindenden Materie, in der Regel Luft, abhängt. Wenn der Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung in eine zur Ebene der Unterlage 8 einigermassen senkrechten Richtung Z erfährt, bewegt sich die Schwungmasse in die Richtung der einen oder anderen Elektrode in Richtung der Beschleunigung, was eine Variation der Kapazitäten dieser Kondensatoren verursacht. Die Messung dieser Variation oder der elektrostatischen Kräfte, die um gegen diese Variation entgegenzuwirken benötigt werden, erlaubt es dann, die Intensität und die Richtung der Beschleunigung zu bestimmen.
Im dargestellten Beispiel entspricht die Messachse des Beschleunigungsmessers einer zur Ebene der Unterlage 8 einigermassen senkrechten Achse Z. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass man im Rahmen der Erfindung absolut in Betracht ziehen kann, die Schwungmasse und die Elektrode oder Elektroden so zu bilden, um einen Beschleunigungsmesser mit einer anderen Messachse zu erhalten, beispielsweise mit einer Messachse, die einer zur Ebene der Unterlage 8 einigermassen parallelen Achse X oder Y entspricht, oder einen Beschleunigungsmesser mit zwei oder drei linear unabhängigen Messachsen X, Y oder Z.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weisen die beiden Elektroden die gleiche Fläche und die gleiche Anordnung gegenüber der Schwungmasse 28 auf, und Letztere wird mit einem gleichen Abstand zu jeder Elektrode aufgehängt, wenn sie keiner Beschleunigung unterworfen wird. Auf diese Weise, da die Materie zwischen jeder Elektrode und der Schwungmasse 28 identisch ist, sind die Kapazitäten beider Kondensatoren identisch, wenn der Beschleunigungsmesser ruht, d.h. wenn er keine Beschleunigung erfährt. Es wird jedoch dem Fachmann klar, dass andere Anordnungen im Rahmen der Erfindung möglich sind. Die Kapazitäten beider Kondensatoren können beispielsweise unterschiedlich sind, wobei ihre respektiven Werte wenn der Beschleunigungsmesser ruht beispielsweise während einem Kalibrierungsverfahren gemessen werden.
Die zentralen Teile 10, 20 bzw. 30 der unteren Schicht 1, der Zwischenschicht 2 und der oberen Schicht 3 bilden den aktiven Teil 5 des Beschleunigungsmessers, der die Schwungmasse 28 und die beiden Elektroden umfasst. Die Sockelelemente 12, 22 bzw. 32 dieser gleichen Schichten bilden die Sockel 6 des Beschleunigungsmessers, mit welchen er auf der Unterlage 8 befestigt ist.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich zwei starre Elemente 27, die mit dem zentralen Teil 5 des Beschleunigungsmessers fest verbunden sind und deren Funktion später erläutert wird, bis zu den Sockeln 6. Gemäss der durch die 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind diese starren Elemente Balken 27, die auf der Zwischenschicht 2 gebildet und mit dem Gestell 29 fest verbunden sind, und die in Aushöhlungen in den Sockeln 6 eingeführt werden. Jeder Balken 27 erstreckt sich zwischen zwei Sockelelementen 22 der Zwischenschicht 2, welche mit den entsprechenden Sockelelementen 12 und 32 der unteren Schicht 1 und oberen Schicht 3 einen der beiden Sockel 6 bilden. Der Raum zwischen dem Ende des Balkens 27 und den Sockelelementen 22 wird auf zwei Seiten durch die Sockelelemente 12 und 32 geschlossen, was somit im Sockel 6 eine Aushöhlung bildet, in welcher der Balken 27 teilweise untergebracht ist. Der Durchmesser jeder Aushöhlung ist grösser als der Durchmesser des entsprechenden Balkens 27, um Letzterem eine gewisse Bewegung in seiner Aushöhlung zumindest entlang einer zur Ebene der Unterlage 8 einigermassen parallelen Achse X zu erlauben.
Die Zwischenschicht 2 wird vorzugsweise auf der unteren Schicht 1 mittels der SOI (Silicon On Insulator) Technologie geformt. Gemäss dieser Technologie wird eine Halbleiterschicht, vorzugsweise mit einer geringen Dicke, auf das strukturierte Substrat abgelagert und zumindest teilweise mit einer nicht dargestellten isolierenden Schicht gedeckt, welche die untere Schicht 1 bildet. Nach der Ablagerung wird diese Siliziumschicht ihrerseits strukturiert, um die gewünschten Elemente zu formen, beispielsweise die Schwungmasse 28, die Sockelelemente 22, die Befestigungen 21 und die Balken 27.
Die SOI Technologie erlaubt die Ablagerung und Strukturierung von Siliziumschichten, die bedeutend dünner als die gewöhnlichen Substrate sind, was somit erlaubt, einerseits die Dicke der Mehrschichthalbleiterkomponente zu minimieren und andererseits auf der dünneren Schicht mikroelektromechanische Elemente zu formen mit verringerten Dimensionen, und welche besondere mechanische Eigenschaften bieten, die auf dickeren Schichten unausführbar wären.
Die obere Schicht 3 wird vorzugsweise separat strukturiert und dann in bestimmten Zonen auf die Zwischenschicht 2 befestigt. Gemäss einer Variante wird die obere Schicht 3 auf der Zwischenschicht 2 gelötet, beispielsweise durch die SFB (Silicon Fusion Bonding) Technologie. Die Zonen, an welchen die beiden Schichten 2 und 3 miteinander verbunden sind, sind im Wesentlichen auf die Sockelelemente 22 und 32 und auf das die Schwungmasse 28 umrahmende Gestell 29 verteilt. Die Anschläge 37 sind nicht auf der Zwischenschicht 2 befestigt, um ihre relative Bewegung in Bezug auf die Befestigungen 21, die sie teilweise bedecken, zu ermöglichen.
Die untere Schicht 1 und die Zwischenschicht 2 einerseits sowie die obere Schicht 3 andererseits werden vorzugsweise aus Halbleiterplättchen geformt, z.B. aus Silizium, welche die gleichzeitige Formation der Elemente von mehreren Hunderten oder sogar von mehreren Tausenden von generell identischen Beschleunigungsmessern erlauben, gemäss wohlbekannten Verfahren auf dem Gebiet der Herstellung von elektronischen Chips. Die Plättchen werden dann zusammengebaut, z.B. mit Hilfe der SFB Technologie gelötet, um gleichzeitig eine Vielzahl von Beschleunigungsmessern zu bilden, die danach individuell aus den Plättchen extrahiert werden.
Gemäss einer nicht dargestellten Variante der Erfindung wird eine elektronische Schaltung für die Messung der Kapazitätsvariationen des Beschleunigungsmessers und eventuell für die Interpretation dieser Messungen ebenfalls auf die untere, Zwischen- und/oder obere Schicht geformt. Die elektronische Schaltung umfasst dann eine Vielzahl von Halbleiterkomponenten, die beispielsweise auf einen spezifischen Teil des aktiven Teils und/oder auf einem mit den Sockelelementen direkt verbundenen Teil angeordnet werden.
Gemäss einer bevorzugten durch die 1 und 2 illustrierten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Beschleunigungsmesser zwei Sockel 6, mit welchen er auf einer Unterlage 8 befestigt werden kann. Auf der Unterlage 8 befestigt werden die Sockel 6 vorzugsweise mittels eines Klebemittels 60, beispielsweise eines an die Materialien des Beschleunigungsmessers und der Unterlage angepassten Leims, der eine genügende Befestigung ermöglicht, damit der Beschleunigungsmesser sich nicht ablöst, wenn die Unterlage 8 starke Beschleunigungen erfährt. Die Befestigung des Beschleunigungsmessers auf der Unterlage 8 ist beispielsweise genügend, um Beschleunigungen zu widerstehen, deren Absolutwert grösser als mehrere Zahntausende G ist.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist die Unterlage 8 eine gedruckte Schaltung oder eine keramische Unterlage mit z.B. einer nicht dargestellten elektronischen Schaltung, die elektrisch mit den Elektroden des Beschleunigungsmessers verbunden ist. Die elektronische Schaltung erlaubt beispielsweise die Messung der Kapazitätsvariationen der Kondensatoren des Beschleunigungsmessers, die Umwandlung dieser Messungen in ein digitales Signal und eventuell deren Interpretation. Gemäss einer Variante erlaubt die elektronische Schaltung ebenfalls die Erzeugung von elektrostatischen Kräften, um die Position der Schwungmasse zu regulieren, wenn der Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung erfährt.
Der erfinderische Beschleunigungsmesser und die Unterlage 8 bilden somit eine Vorrichtung, die auf jedes Objekt befestigt werden kann, dessen Beschleunigung gemessen werden muss. Diese Vorrichtung liefert vorzugsweise direkt ein elektrisches analoges und/oder digitales Signal, das dem Wert und/oder der Richtung entlang der Messachse der Beschleunigung entspricht, der die Vorrichtung und also auch das Objekt, auf welchem sie angebracht ist, ausgesetzt werden.
Gemäss einer Variante umfasst die elektronische Schaltung zudem eine integrierte Schaltung, welche die Bearbeitung der durch den Beschleunigungsmesser gemessenen elektrischen Werte ermöglicht. Die integrierte Schaltung empfängt beispielsweise ein Uhrsignal, das die Messung an gewissen Momenten, beispielsweise in regelmässigen Abständen, der von der Vorrichtung erfahrenen Beschleunigung erlaubt. Die integrierte Schaltung führt danach beispielsweise die Interpolations- und/oder Extrapolationsfunktionen durch, um die von der Vorrichtung erfahrene Beschleunigung in Abhängigkeit zur Zeit zu bestimmen, um beispielsweise diese Beschleunigung auf der Anzeige eines mit der Vorrichtung verbundenen Rechners graphisch darzustellen. Die integrierte Schaltung erlaubt es auch, die maximale von der Vorrichtung erfahrene Beschleunigung und/oder den Moment, an welchen diese Beschleunigung gemessen wurde, zu bestimmen. Die elektronische Schaltung umfasst ebenfalls vorzugsweise eine Speicherzone, welche die permanente oder temporäre Speicherung der gemessenen Werte und/oder der durch die integrierte Schaltung berechneten Funktionen ermöglicht, beispielsweise für das spätere Abrufen und/oder Anzeigen dieser Daten.
Der aktive Teil 5 des Beschleunigungsmessers wird mit den Sockeln 6 durch die Befestigungen 21 verbunden. Sie wird nicht direkt auf der Unterlage 8 befestigt, von der sie durch einen Abstand getrennt wird, der vorzugsweise einigermassen der Dicke des Klebemittels 60 entspricht. Jegliche direkte mechanische Kupplung der Unterlage 8 und des aktiven Teils 5 wird somit vermieden. Wenn der Beschleunigungsmesser an der Unterlage 8 befestigt wird, hängt der aktive Teil 5 zwischen den Sockeln 6 durch die Befestigungen 21. Er kann sich dann innerhalb gewisser weiter unten erklärten Grenzen in Bezug auf die Stützen 6 entlang der drei linear unabhängigen Achsen X, Y und Z bewegen. Der aktive Teil 5 kann ebenfalls vorzugsweise Drehungen in Bezug auf die Sockel 6 um diese drei Achsen X, Y, Z durchführen.
Der aktive Teil 5 bildet somit einen mechanisch stabilen Teil praktisch frei von jeglicher äusseren mechanischen Belastung, insbesondere von jeder auf die Sockel 6 ausgeübten Belastung während ihrer Befestigung auf der Unterlage 8 und/oder wegen Belastungen, beispielsweise Verdrehungen und/oder Biegungen, die später auf der Unterlage 8 ausgeübt werden, beispielsweise während deren Befestigung auf das Objekt, dessen Beschleunigung gemessen werden muss. Dank ihrer Elastizität gewährleisten die Befestigungen 21 eine gute Isolierung des aktiven Teils 5, indem sie diese mechanischen auf die Sockel 6 induzierten Belastungen auffangen, und verhindern somit eine mechanische Verformung des aktiven Teils 5, welche riskieren würde, die Geometrie der Elektroden zu verändern und somit die Messung zu verfälschen. Der erfindungsgemässen Beschleunigungsmesser erlaubt es also, eine zuverlässige und genaue Messung zu gewährleisten, unabhängig von der Intensität und der Direktion der Adhäsionskräfte, welche den Beschleunigungsmesser auf der Unterlage 8 halten und/oder der später von der Unterlage 8 erlittenen Verdrehungen oder Biegungen.
Wie vorher erwähnt sind die Befestigungen 21 vorzugsweise so geformt, um eine maximale Elastizität in der Richtung der Achse X zu bieten, die einigermassen parallel zur Ebene der Unterlage 8 ist und englang welcher der aktive Teil 5 und die Stützen 6 ausgerichtet sind. Tatsächlich erlaubt diese Elastizität insbesondere eine grosse Kompensierung möglicher Ungenauigkeiten im Abstand der Sockel 6 während der Befestigung des Beschleunigungsmesser auf die Unterlage 8.
Die beispielsweise auf den zentralen Teil 30 der oberen Schicht 3 geformten Anschläge 37, arbeiten vorzugsweise mit den Sockeln 6 zusammen, um die Amplitude der Bewegungen des Beschleunigungsmessers entlang dieser Achse X einzuschränken, damit im Falle einer Beschleunigung entlang dieser Richtung die Befestigungen 21 auf keinem Fall über ihre Elastizitätszone hinaus gestreckt werden. Vorzugsweise bestehen die Anschläge 37 aus hervorragenden Portionen von limitierter Länge, die auf den sich gegenüber den Sockeln 6 befindenden lateralen Seiten des aktiven Teils 5 geformt sind. Die Bewegungen des zentralen Teils 5 entlang der Achse X werden somit um den Abstand zwischen den Anschlägen 37 und der oberen Portion 32 der Sockel 6 eingeschränkt, wobei dieser Abstand so bestimmt wird, um jegliche irreversible Verformungen und/oder Brüche der Befestigungen 21 zu verhindern.
Im dargestellten Beispiel sind die Anschläge 37 in der zentralen Portion 30 der oberen Schicht 3 geformt. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass diese Anschläge ebenfalls auf anderen Portionen der oberen Schicht 3 geformt werden können, beispielsweise auf dem entsprechenden Sockelelement 32 oder auf einer anderen Schicht, beispielsweise auf der unteren Schicht 1 oder der Zwischenschicht 2. Es ist ebenfalls im Rahmen der Erfindung absolut vorstellbar, andere mechanische und von den Sockeln 6 unabhängigen Elemente vorzusehen, die dazu bestimmt sind, den Lauf der Anschläge 37 und somit des aktiven Teils 5 entlang der Achse X einzuschränken. Alle Kombinationen der hier oben erwähnten Lösungen sind zudem auch möglich.
Gemäss der durch die 1 und 2 illustrierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Befestigungen 21 ebenfalls eine gewisse Elastizität in der Richtung einer zur Ebene der Unterlage 8 einigermassen parallelen und zur Achse X einigermassen senkrechten Achse Y auf, um u.A. eine mögliche Ungenauigkeit in der Ausrichtung der Sockel 6 während deren Befestigung auf der Unterlage 8 zu kompensieren.
In der Richtung der zur Ebene der Unterlage 8 senkrechten Achse Z ist die Elastizität der Befestigungen 21 hingegen vorzugsweise minimal, um den aktiven Teil 5 zwischen den Sockeln 6 hängend zu halten, wenn der Beschleunigungsmesser ruht, insbesondere um zu verhindern, dass er in direktem Kontakt mit der Unterlage 8 steht und vorzugsweise auch, dass die Balken 27 am Anschlag gegen eine der Innenwände ihrer respektiven Aushöhlung sind, egal was die Orientierung der Vorrichtung ist.
Ferner, da die Achse Z in dieser Variante der Erfindung ebenfalls der Messachse des Beschleunigungsmessers entspricht, ist es vorteilhaft, dass die Bewegungen des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 und die Unterlage 8 entlang dieser Achse Z nicht allzu gross sind, damit sie nicht auf signifikante Weise die Messung beeinflussen.
Gemäss der hier als Beispiel beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Bewegungen des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 entlang der Achsen Y und Z durch die Balken 27 eingeschränkt, welche mit dem aktiven Teil 5 fest verbunden sind und mit den in den Sockeln 6 geformten Aushöhlungen zusammenarbeiten. Vorzugsweise erstrecken sich die Balken 27 in die Richtung der Achse X, d.h. der Achse entlang welcher die Bewegungen des aktiven Teils 5 durch die oben beschriebenen Anschläge 37 eingeschränkt werden. Die Dimensionen der Durchmesser der Aushöhlungen sind grösser als die Dimensionen der Durchmesser der Balken 27, so dass Letztere sich frei in ihrer respektiven Aushöhlung entlang der Achse X bewegen können. Die Bewegungen der Balken 27 entlang der Achsen Y und Z werden hingegen durch den Abstand zwischen den Aussenwänden der Balken 27 und den Innenwänden der Aushöhlungen eingeschränkt. Da die Balken mit dem aktiven Teil 5 des Beschleunigungsmessers fest verbunden sind, ist die Bewegungsamplitude Letzteres ebenfalls entlang dieser beiden Achsen eingeschränkt. Der Abstand zwischen den Aussenwänden der Balken 27 und den Innenwänden der Aushöhlungen wird bestimmt, so dass, wenn die Vorrichtung einer Beschleunigung entlang der Achse Y und/oder Z unterworfen wird, die Bewegung des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 entlang einer dieser Achsen die Befestigungen 21 nicht über ihre Elastizitätsgrenze hinaus strecken kann, was somit ihre irreversible Verformung und/oder ihren Bruch verhindert.
Die durch ihre besondere Geometrie bestimmte Elastizität der Befestigungen 21 erlaubt ebenfalls eine Drehung des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 um die Achsen X, Y und/oder Z, was somit zu einer optimalen Isolierung des aktiven Teils von den mechanischen Belastungen, die auf die Sockel 6 ausgeübt werden können, beiträgt. Die Amplitude dieser Drehungen ist jedoch eingeschränkt, um jegliche irreversible Verformung und/oder den Bruch der Befestigungen 21 zu verhindern.
Vorzugsweise haben also die Durchmesser der Balken 27 und der Aushöhlungen eine geometrische Form, die keine Drehungsachse aufweist, beispielsweise viereckig, dreieckig, trapezförmig, usw., um die Drehung der Balken 27 in ihrer Aushöhlung einzuschränken, was somit die Drehung des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 um die Achse X einschränkt. Vorzugsweise sind die Balken 27 ferner in ihrer Aushöhlung über eine genügende Länge untergebracht, um ebenfalls die Drehung des aktiven Teils 5 entlang der Achse Z und/oder Y innerhalb der gewünschten Grenzen einzuschränken.
Die Amplitude der Bewegungen der zentralen Portion 5 in Bezug auf die Sockel 6 entlang jeder und/oder um jede Achse wird somit durch die Anschlagelemente strikte eingeschränkt, einerseits durch die mit den Stützen 6 zusammenarbeitenden Anschläge 37 und andererseits durch die Balken 27, die mit den in den Sockeln 6 geformten Aushöhlungen zusammenarbeiten. Vorzugsweise wird die maximale Amplitude dieser Bewegungen so bestimmt, dass wenn der Beschleunigungsmesser auf einer Unterlage 8 befestigt wird, der aktive Teil 5 die elastischen Befestigungen 21 nicht über ihre Elastizitätsgrenze hinaus strecken kann, was jegliche irreversible Verformung und/oder jeglichen Bruch Letzterer verhindert, sogar in extremen Anwendungsbedingungen.
Der zwischen den Sockeln 6 durch ihre Befestigungen 21 hängende aktive Teil 5 kann sich somit unter Einwirkung einer Aussenkraft in Bezug auf die Unterlage 8 dank der Elastizität der Befestigungen 21 bewegen. Nach einer bestimmten Bewegung jedoch wird der aktive Teil in mindestens einer Richtung gesperrt, damit die Befestigungen 21 nicht über ihre Elastizitätszone hinaus gestreckt werden. Es wird somit dank der erfinderischen Vorrichtung gewährleistet, dass sogar unter extremen Bedingungen, die Befestigungselemente 21 im Normalbetrieb keiner mechanischen Belastung ausgesetzt werden, die ihre irreversible Verformung und/oder ihren Bruch verursachen könnte.
Die maximale Amplitude der Bewegungen des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Stützen 6 wird insbesondere einerseits durch die Dimensionen der Anschläge 37 und andererseits durch die relativen Dimensionen der Balken 27 und der entsprechenden Aushöhlungen in den Sockeln 6 bestimmt.
Im hier oben beschriebenen Beispiel werden die mit dem aktiven Teil 5 fest verbundenen Balken 27 durch Strukturierung der Zwischenschicht 2 geformt. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass andere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung ebenfalls vorstellbar sind. Die Balken können beispielsweise auf der unteren Schicht 1 oder oberen Schicht 3 geformt werden. Im letzteren Fall werden die Balken vorzugsweise mindestens teilweise in der Richtung der senkrechten Achse Z durch Ablagerung oder Lötung einer zusätzlichen Schicht auf mindestens einen Teil der oberen Schicht 3 gehalten.
Es ist auch im Rahmen der Erfindung vorstellbar, einen Balken oder irgendein anderes starres Element zu formen, damit es beispielsweise mit einem der Sockel fest verbunden wird und sich in eine dazu auf dem aktiven Teil vorgesehene Aushöhlung einführt. Es ist ebenfalls möglich, die Amplitude der Bewegungen des aktiven Teils in Bezug auf die Sockel durch ihre Kombination mit einem starren Element einzuschränken, das mit dem aktiven Teil fest verbunden ist und mit einer in einem Sockel des Beschleunigungsmessers geformten Aushöhlung zusammenarbeitet, und mit einem starren Element, der mit einem Sockel fest verbunden ist und mit einer im aktiven Teil geformten Aushöhlung zusammenarbeitet.
Im hier oben beschriebenen Beispiel umfasst der Beschleunigungsmesser zwei Balken 27, welche die Bewegungen des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 entlang mehreren Achsen X, Y, Z und um diese Achsen einschränken. Es wäre jedoch im Rahmen der Erfindung vorstellbar, nur ein einziges starres Element zu formen.
Es ist ebenfalls vorstellbar, mehr als zwei starre Elemente durch Strukturierung einer oder mehrerer Schichten von Halbleitermaterial zu formen. Gemäss einer Ausführungsform, weisen alle so geformten starren Elemente einigermassen die gleiche Funktion auf und arbeiten mit ähnlichen Aushöhlungen, um die Bewegungen des aktiven Teils entland der und/oder um die gleichen Achsen einzuschränken. Gemäss einer anderen Variante weist jedes starre Element eine andere Form und/oder eine Orientierung auf und/oder arbeitet mit einer anders geformten Aushöhlung, um die Bewegungen des aktiven Teils entlang einer oder mehreren verschiedenen Achsen und/oder um diese Achsen einzuschränken.
Gemäss einer Variante können die mit ihren respektiven Aushöhlungen zusammenarbeitenden starren Elemente die Bewegungen und Drehungen des aktiven Teils entlang der und um die drei linear unabhängigen Achsen X, Y, Z einschränken. Gemäss dieser Variante werden die Anschläge 37 beispielsweise durch Sacklöcher ersetzt, welche die Amplitude der Bewegungen entlang der Achse X des entsprechenden Balkens einschränken. Gemäss einer anderen Variante variiert der Durchmesser jedes Balkens auf seiner Länge, so dass nur eine bestimmte Länge in die Aushöhlung eingefügt werden kann, was die Amplitude der Bewegungen jedes Balkens in seiner Aushöhlung entlang der Achse X einschränkt.
Die Schwungmasse 28 des hier oben beschriebenen Beschleunigungsmessers in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bewegt sich zwischen den Elektroden des aktiven Teils entlang einer zur Achse Z parallelen Richtung. Der Beschleunigungsmesser erlaubt somit die Messung von Beschleunigungen, die in Richtung der Achse Z erfolgen. Dank der Einschränkung entlang dieser Messachse der Bewegungen des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 mittels der oben beschriebenen Anschlagelemente, vermag der erfinderische Beschleunigungsmesser insbesondere zu verhindern, dass die Befestigungen 21 durch die sogar sehr starken Beschleunigungen beschädigt werden, die der Beschleunigungsmesser messen muss, und/oder durch Beschleunigungen, welche über den Messbereich des Beschleunigungsmessers hinaus gehen.
Gemäss einer Anwendung wird der erfinderische Beschleunigungsmesser beispielsweise auf ein Projektil befestigt, um die von Letzterem erfahrenen Beschleunigungen während des Flugs zu messen. Der Absolutwert dieser Beschleunigungen liegt gewöhnlich zwischen einigen G und einigen Hunderten G, beispielsweise zwischen 2 G und 100 G. Der aktive Teil 5 des erfinderischen Beschleunigungsmessers, insbesondere die Schwungmasse 28 und die flexible Zone 290, werden vorzugsweise so dimensioniert, dass die Beschleunigungen innerhalb dieses Bereichs genau gemessen werden können.
Während des Schusses wird das Projektil jedoch Beschleunigungen ausgesetzt, welche bis auf einige Zehntausende G, beispielsweise mehr als 20'000 G, gehen können. Dank der Einschränkung der Bewegungen des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 vorzugsweise entlang aller Achsen und insbesondere entlang der Messachse, ist der am Projektil befestige erfinderische Beschleunigungsmesser in der Läge, solcher Beschleunigungen zu widerstehen, ohne beschädigt zu werden. Während des Schusses sind die Balken 27 und/oder die Anschläge 37 am Anschlag gegen eine Wand der Aushöhlungen bzw. gegen einen der Sockel 6, was verhindert, dass die Befestigungen 21 auf irreversible Weise verformt oder gebrochen werden. Nach dem Schuss, wenn die Beschleunigung des Projektils wieder innerhalb des Messbereichs des Beschleunigungsmessers liegt, hängt der aktive Teil 5 vorzugsweise wieder frei an den Sockeln 6 durch die Befestigungen 21, ohne dass die Anschlagvorrichtungen 37 und/oder 27 am Anschlag sind, und der aktive Teil 5 übernimmt wieder die Messung der entlang der Achse Z erfahrenen Beschleunigungen.
Eine andere Ausführungsform des erfinderischen Beschleunigungsmessers wird durch die 3 und 4 illustriert. Ohne gegenteilige Angabe beziehen sich die gleichen Referenzzeichen auf die gleichen Elemente auf allen 1 bis 4.
Gemäss dieser Variante ist der aktive Teil 5 mit jedem der beiden Sockel 6 durch eine Befestigung 21' verbunden. Die Anschlagelemente, welche die Bewegungen des aktiven Teils 5 entlang der Achse X einschränken, sind Anschläge 37', welche auf die Sockelelementen 32 der oberen Schicht 3 geformt sind. Jedes Sockelelement 32 umfasst einen Anschlag 37', der gegenüber dem aktiven Teil 5 angeordnet wird und in Bezug auf die anderen Sockelelemente 12 und 22 der anderen Schichten hervorragt. Jeder Anschlag 37' überdeckt zumindest teilweise eine Befestigung 21'.
Gemäss dieser Ausführungsform werden die Bewegungen des aktiven Teils 5 entlang der Achse Z, mindestens in einer Richtung, durch die Anschläge 37' eingeschränkt, welche mit den starren Elementen 27' zusammenarbeiten, durch welche die Befestigungen 21' mit dem aktiven Teil 5, teilweise mit dem Gestell 29, verbunden sind. Diese starren Elemente 27' bilden tatsächlich Balken, die mit dem Gestell 29, und somit mit dem aktiven Teil 5, fest verbunden sind, dessen Lauf entlang der Achse Z in einer Richtung durch ihre Auflage gegen die Anschläge 37' eingeschränkt wird. In der anderen Richtung werden die Bewegungen des aktiven Teils 5 durch seine Auflage gegen die obere Fläche der Unterlage 8 eingeschränkt. Die Amplitude der Bewegungen des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 entlang der senkrechten Achse Z werden somit durch Anschlagelemente mit den starren Portionen 27', welche mit dem aktiven Teil 5 fest verbunden sind und mit den Anschlägen 37' zusammenarbeiten, eingeschränkt. In der anderen Richtung werden diese Bewegungen durch die Fläche der Unterlage 8, auf welcher der Beschleunigungsmesser befestigt ist, eingeschränkt. Es ist jedoch möglich sich vorzustellen, um diese Funktion zu erfüllen, auf die Sockelelementen 12 der unteren Schicht 1 Anschläge ähnlich zu den Anschlägen 37' zu formen. Die Anschläge jedes Sockels bilden dann eine längliche und offene Aushöhlung, in welcher ein starres mit dem aktiven Teil 5 fest verbundenes Element 27' eingefügt wird.
Gemäss der durch die 3 und 4 illustrierten Ausführungsform wird die Amplitude der Bewegungen des aktiven Teils 5 in Bezug auf die Sockel 6 entlang der Achse Y nicht durch Anschlagelemente eingeschränkt. Die Befestigungen 21' werden jedoch auf eine solche Weise geformt, dass ihre Starrheit genügend ist, um starken Beschleunigungen in dieser Richtung zu widerstehen, ohne irreversible Schäden davon zu tragen.
Ebenfalls gemäss dieser Variante werden die Drehbewegungen des aktiven Teils in Bezug auf die Sockel 6 durch die Anschlagelemente 37', 47' und durch die obere Fläche der Unterlage 8 eingeschränkt.
Gemäss der hier oben beschriebenen Ausführungsformen werden die Bewegungen des Beschleunigungsmessers entlang einer zur Unterlage 8 senkrechten Achse Z durch die starren Elemente 27, 27' eingeschränkt, die mit dem aktiven Teil 5 fest verbunden sind und die zumindest teilweise mit den Sockeln 6 zusammenarbeiten Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung vorstellbar, die Bewegungen des aktiven Teils durch eine äusseren Vorrichtung einzuschränken, insbesondere, jedoch nicht nur, in eine zur Ebene der Unterlage 8 senkrechten Richtung. Die äussere Vorrichtung ist beispielsweise ein auf der Unerlage 8 befestigter Helm, der den Beschleunigungsmesser zumindest teilweise umhüllt. Das Innenprofil des Helms arbeitet beispielsweise mit den auf dem aktiven Teil des Beschleunigungsmessers geformten Anschlägen zusammen, um die Amplitude der Bewegungen Letzterer einzuschränken.
Gemäss den hier oben als Beispiel beschriebenen und durch die Figuren illustrierten Ausführungsformen umfasst der Beschleunigungsmesser zwei Sockel 6, welche auf jeder Seite seines aktiven Teils 5 für seine Befestigung auf einer Unterlage 8 angeordnet sind. Diese Anordnung der Sockel 6 ermöglicht die Herstellung von extrem kompakten Beschleunigungsmessern. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass im Rahmen der Erfindung die den Beschleunigungsmesser bildenden Halbleiterschichten so strukturiert werden können, um eine andere Anzahl Sockel zu bilden, oder um Sockel mit einer anderen Form und Anordnung zu bilden. Der aktive Teil kann somit beispielsweise an ein Gestell gehängt werden, das ihn gänzlich oder nur auf drei seiner Seiten usw. umrahmt. Es wäre auch denkbar im Rahmen der Erfindung, sich Strukturen mit mehreren aktiven Teilen vorzustellen, welche beispielsweise je einen Beschleunigungsmesser umfassen und an gemeinsamen Sockeln oder an einem gemeinsamen Gestell hängen.
Hier oben beschrieben wird die Erfindung für den besonderen Fall eines Beschleunigungsmessers, dessen aktiver Teil 5 von jeglicher mechanischen Belastung, die auf andere Teile des Beschleunigungsmessers ausgeübt wird, insbesondere auf seine Sockel 6 während und/oder nach seiner Befestigung, isoliert werden muss. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass die vorliegende Erfindung ebenfalls für jede andere Komponente anwendbar ist, insbesondere auf jedes andere MEMS, von dem ein empfindlicher Teil, gewöhnlich ein aktiver elektromechanischer Teil, insbesondere von jeder auf seine Befestigungselemente ausgeübten Belastung, isoliert werden muss.

Claims

Mikroelektromechanisches System (MEMS) mit: einem aktiven elektromechanischen Teil (5), wobei der besagte aktive Teil (5) ein Gestell (29) und eine Schwungmasse (28) umfasst, wobei die Schwungmasse mit dem besagten Gestell durch mindestens eine flexible Zone (290) verbunden ist, welche der Schwungmasse erlaubt, sich entlang mindestens einer Messachse (Z) zu bewegen, indem Variationen einer elektrischen Grösse induziert werden, mindestens einem Sockel (6) für die Befestigung des besagten Mikrosystems auf einer Unterlage (8), mindestens einer elastischen Befestigung (21, 21'), welche den besagten aktiven Teil (5) mit dem mindestens einem Sockel (6) verbindet und eine Bewegung des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) erlaubt, wenn das besagte Mikrosystem auf der besagten Unterlage befestigt ist, gekennzeichnet durch Anschlagelemente (27, 27', 37'), um die Amplitude der Bewegungen des aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss Anspruch 1, worin die besagten Anschlagelemente so angeordnet sind, um die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) entlang der besagten Messachse (Z) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei das besagte Mikrosystem ein Beschleunigungsmesser ist.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagte mindestens eine Befestigung (21, 21') eine Bewegung des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) entlang einer zur Messachse senkrechte Achse (X, Y) ermöglicht, wenn das besagte Mikrosystem auf der besagten Unterlage (8) befestigt ist, wobei das besagte Mikrosystem Anschlagelemente (37, 27, 37') umfasst, um die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) entlang der besagten senkrechten Achse (X, Y) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die besagte mindestens eine Befestigung (21, 21') Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) entlang zwei linear unabhängigen und zur Messachse (Z) deutlich senkrechte Achsen (X, Y) ermöglicht, wobei das besagte Mikrosystem Anschlagelemente (27, 27', 37') umfasst, um die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) entlang der besagten beiden senkrechten Achsen (X, Y) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagte mindestens eine Befestigung (21, 21') eine Drehung des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um die besagte Messachse (Z) ermöglicht, wobei das besagte Mikrosystem Anschlagelemente (27, 37, 27', 37') umfasst, um die Amplitude der Drehungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um die besagte Messachse (Z) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagte mindestens eine Befestigung (21, 21') eine Drehung des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um eine zur Messachse (Z) deutlich senkrechte Achse (X, Y) ermöglicht, wobei das besagte Mikrosystem Anschlagelemente (27, 27', 37') umfasst, um die Amplitude der Drehungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um die besagte senkrechte Achse (X, Y) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die besagte mindestens eine Befestigung (21, 21') Drehungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um zwei linear unabhängige und zur Messachse (Z) deutlich senkrechte Achsen (X, Y) ermöglicht, wobei das besagte Mikrosystem Anschlagelemente (27, 27', 37') umfasst, um die Amplitude der Drehungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um die besagten beiden senkrechten Achsen (X, Y) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der besagte aktive Teil (5) vom besagten mindestens einem Sockel (6) durch die besagte mindestens eine Befestigung (21, 21') hängt, wenn der besagte mindestens ein Sockel (6) auf der besagten Unterlage (8) befestigt ist.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagte mindestens eine Befestigung (21, 21') elastisch ist, wobei die besagten Anschlagelemente (27, 37, 27', 37') die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) innerhalb des Elastizitätsbereichs der besagten mindestens einen Befestigung (21, 21') einschränken.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Elastizität der besagten mindestens einen Befestigung (21, 21') je nach Richtung unterschiedlich ist.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Elastizität der besagten mindestens einen Befestigung (21, 21') entlang der zur Messachse deutlich senkrechten Achse (X) maximal und entlang der Messachse (Z) minimal ist.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagten Anschlagelemente mindestens einen Anschlag (37) aufweisen, der auf dem besagten aktiven Teil (5) geformt ist und mit dem mindestens einen Sockel (6) zusammenarbeitet, um die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den mindestens einen Sockel (6) entlang einer zur Messachse deutlich senkrechten Achse (X) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei der besagte Anschlag (37) aus einem herausragenden Teil auf einer Seite des besagten aktiven Teils (5) gegenüber dem besagten mindestens einen Sockel (6) besteht, wobei die Länge des besagten Anschlags (37) deutlich kürzer als die Länge der besagten Seite ist.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagten Anschlagelemente mindestens einen Anschlag (37') aufweisen, der auf dem besagtem mindestens einem Sockel (6) geformt ist und mit dem besagten aktiven Teil (5) zusammenarbeitet, um die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den mindestens einen Sockel (6) entlang einer zur Messachse deutlich senkrechten Achse (X) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagten Anschlagelemente mindestens ein starres mechanisches Element (27, 27') aufweisen, das mit dem besagten aktiven Teil (5) solidarisch verbunden ist und mit dem besagten mindestens einem Sockel (6) zusammenarbeitet, um die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den mindestens einen Sockel (6) entlang der Messachse (Z) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei das mindestens eine starre mechanische Element ein Balken (27, 27') ist, welcher mit einer im besagten mindestens einem Sockel (6) geformten Aushöhlung zusammenarbeitet.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die besagten Anschlagelemente mindestens ein starres mechanisches Element umfassen, das mit dem mindestens einen Sockel (6) solidarisch verbunden ist und mit dem besagten aktiven Teil (5) zusammenarbeitet, um die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den mindestens einen Sockel (6) entlang der Messachse (Z) einzuschränken.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei das mindestens eine starre mechanische Element ein Balken ist, welcher mit einer im besagten aktiven Teil (5) geformten Aushöhlung zusammenarbeitet.
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei das besagte mindestens eine starre mechanische Element (27) zudem die Amplitude der Drehungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um eine zur Messachse deutlich senkrechte Achse (Y) einschränkt.
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei das besagte mindestens eine starre mechanische Element (27, 27') zudem die Amplitude der Drehungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um eine zur Messachse deutlich senkrechte Achse (Y) einschränkt.
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei das besagte mindestens eine starre mechanische Element (27, 27') zudem die Amplitude der Drehungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um zwei linear unabhängige und zur Messachse deutlich senkrechte Achsen (X, Y) einschränkt.
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei das besagte mindestens eine starre mechanische Element (27) zudem die Amplitude der Drehungen des besagten aktiven Teils (5) in Bezug auf den besagten mindestens einen Sockel (6) um die Messachse (Z) einschränkt.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens drei übereinander liegenden Schichten (1, 2, 3) aus Halbleitermaterial, wobei die besagten mindestens drei Schichten eine untere Schicht (1), eine Zwischenschicht (2) und eine obere Schicht (3) umfassen.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei die besagte Zwischenschicht (2) auf die besagte untere Schicht (1) oder auf die besagte obere Schicht (3) geformt und strukturiert wird.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei die besagte Zwischenschicht (2) durch Ablagerung von Halbleitermaterial auf eine auf der besagten unteren Schicht (1) oder auf der besagten oberen Schicht (3) geformten isolierenden Oberfläche geformt wird (SOI-Technologie, Silicon an Insulator).
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die besagte mindestens eine Befestigung (21, 21') durch Strukturierung der besagten Zwischenschicht (2) geformt wird.
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei mindestens ein Anschlagelement (27, 27') der besagten Anschlagelemente durch Strukturierung der besagten Zwischenschicht (2) geformt wird.
Mikrosystem gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei das mindestens eine Anschlagelement ein Balken (27) ist, welcher mit dem besagten aktiven Teil (5) solidarisch verbunden ist und sich bis zum besagten mindestens einen Sockel (6) erstreckt.
Mikrosystem gemäss Anspruch 28, wobei das mindestens eine Anschlagelement ein Balken ist, welcher mit dem besagten mindestens einen Sockel (6) solidarisch verbunden ist und sich bis zum besagten aktiven Teil (5) erstreckt.
Mikrosystem gemäss einem der Ansprüche 29 oder 30, wobei der besagte Balken (27) mindestens teilweise in einer durch Strukturierung der besagten Zwischenschicht (2) um den besagten Balken (27) geformten Aushöhlung untergebracht wird, wobei der Umfang der besagten Aushöhlung durch die besagte untere Schicht (1) und durch die besagte obere Schicht (3) geschlossen ist.
Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei Sockeln (6), welche auf beiden Seiten des besagten aktiven Teils (5) angeordnet sind, wobei der besagte aktive Teil (5) an den mindestens einen Sockel (6) durch vier Befestigungen (21) befestigt wird.
Vorrichtung mit einem Mikrosystem gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Unterlage (8), wobei das Mikrosystem auf der besagten Unterlage (8) befestigt ist.
Vorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei die besagte Unterlage (8) zudem einen elektronischen Schaltkreis für die Steuerung des besagten aktiven Teils (5) aufweist.
Vorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei das besagte Mikrosystem ein Beschleunigungsmesser ist, wobei die elektromechanische Vorrichtung eine Schwungmasse (28) umfasst, deren Bewegungen entlang mindestens einer Messachse Variationen einer elektrischen Grösse induzieren, wobei der besagte elektronische Schaltkreis die Interpretation der besagten Variationen ermöglicht.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 24 bis 35, wobei ein Helm auf die besagte Unterlage (8) um das besagte Mikrosystem angebracht wird, um die Amplitude der Bewegungen des besagten aktiven Teils einzuschränken.