DE102006029627B4

DE102006029627B4 - Mikromechanisches System mit einstellbarem Schwingungsverhalten und Verfahren zu seinem Betrieb

Info

Publication number: DE102006029627B4
Application number: DE200610029627
Authority: DE
Inventors: Michael Krueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: DE102006029627A1

Abstract

Mikromechanisches System, umfassend mindestens eine auslenkbare Masse (1), die über mindestens ein Federelement (2) mit einer Stützstruktur (3) verbunden ist, und Mittel (4), die zusätzlich zu Kräften, die aus Deformationen des Federelementes (2) resultieren, eine Kraftübertragung auf die auslenkbare Masse (1) ermöglichen, wobei die Mittel zur Kraftübertragung auf die auslenkbare Masse mindestens eine Leiterbahn (4) umfassen, die zumindest teilweise fest mit der auslenkbaren Masse (1) verbunden und so angeordnet ist, dass sie eine geschlossene leitfähige Figur bildet, wobei ein Änderung eines magnetischen Flusses durch die geschlossene leitfähige Figur zu einem Stromfluss durch die geschlossene leitfähige Figur führt, wodurch sich eine Kraftwirkung auf die stromdurchflossene Leiterbahn und damit auf die auslenkbare Masse ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Steuerelement in die Leiterbahn (4) integriert ist, das ausgelegt ist, eine Einstellung der zumindest bei Auslenkung der auslenkbaren Masse auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft durch Beeinflussen des in der Leiterbahn fließenden Induktionsstroms vorzunehmen.

Description

Stand der Technik
Verschiedene mikromechanische Systeme, beispielsweise Mikrospiegel, Drehratesensoren oder Beschleunigungssensoren, sind mit auslenkbaren Massen ausgestattet, wobei ihre Verwendbarkeit wesentlich von der genauen Kenntnis und Reproduzierbarkeit des Schwingungsverhaltens derartiger Systeme bestimmt wird. Das Schwingungsverhalten wiederum hängt von der auslenkbaren Masse, bei Torsionsschwingungen von den entsprechenden geometriebedingten Trägheitsmomenten, von elastischen Eigenschaften deformierbarer Federelemente sowie Dämpfungseigenschaften der beteiligten Materialien ab.
Aus den gängigen Strukturierungsverfahren folgt in Bezug auf schwingungsfähige mikromechanische Systeme eine Reihe von Nachteilen. Insbesondere die Federkonstante von Federelementen wird üblicherweise durch den Herstellungsprozess festgelegt und kann nachträglich nicht mehr verändert werden. Erreichbare Fertigungstoleranzen bilden den wichtigsten begrenzenden Faktor bei der Erzielung vorgegebener Schwingungsparameter. Je kleiner die Abmessungen der ausgebildeten Strukturen sind, desto gravierender wirken sich bereits ätztechnisch unvermeidbare Dicken- und Formschwankungen aus.
Eine nachträgliche Anpassung des Schwingungsverhaltens herkömmlicher mikromechanischer Systeme an veränderte Einsatzanforderungen ist nicht möglich. Eine dynamische Einflussnahme auf das Schwingungsverhalten ist ebenfalls nicht möglich. Mit den vorgenannten Problemen verbunden ist eine häufig beträchtliche Ausschussquote, welche die Herstellungskosten mikromechanischer Systeme in die Höhe treibt, selbst wenn diese in Massenfertigung hergestellt werden können.
Mikromechanische Systeme und Verfahren zu ihrem Betreiben sind aus den folgenden Druckschriften bekannt: US 2002/0050744 A1 , DE 695 30 248 T2 , WO 99/36825 A1 , Il-Joo Cho et al.; ”A low-voltage two-axis electromagnetically actuated micromirror with bulk silicon mirror plates and torsion bars”; The Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2002, S. 540–543; R. Amirtharajah et al.; ”Self-powered signal processing using vibration-based power generation”; IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 33, No. 5, 1998, S. 687–695
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit anzugeben, mikromechanische Systeme nachträglich an veränderte Einsatzanforderungen anpassen zu können, ihre Abhängigkeit von erreichbaren Fertigungstoleranzen zu reduzieren sowie die Ausbeute bei der Herstellung zu steigern.
Technische Lösung
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein mikromechanisches System mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7. Die abhängigen Anspruche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Zur Realisierung der Erfindung wird ein mikromechanisches System, das über mindestens eine auslenkbare Masse verfügt, die über mindestens ein Federelement mit einer Stützstruktur verbunden ist, mit Mitteln ausgestattet, die zusätzlich zu Kräften, die aus Deformationen des mindestens einen Federelementes resultieren, eine Kraftübertragung auf die auslenkbare Masse ermöglichen. Die auf diese Weise auf die auslenkbare Masse übertragenen Kräfte können den Rückstellkräften, die von Federelementen ausgehen, überlagert werden.
Vorteilhafte Wirkungen
Vorteilhafterweise erfolgt die Kraftübertragung auf die auslenkbare Masse berührungslos, insbesondere durch Wechselwirkung mit einem Magnetfeld. Dazu umfassen die Mittel zur Kraftübertragung auf die auslenkbare Masse mindestens eine Leiterbahn, die zumindest teilweise fest mit der auslenkbaren Masse verbunden und so angeordnet ist, dass sie eine geschlossene leitfähige Figur bildet. Wird das mikromechanische System in einem Magnetfeld angeordnet, so bewirken Änderungen des magnetischen Flusses durch die geschlossene leitfähige Figur die Induktion einer Spannung, die zu einem Stromfluss durch die geschlossene leitfähige Figur führt, wodurch sich eine Kraftwirkung auf die stromdurchflossene Leiterbahn und damit auf die auslenkbare Masse ergibt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine Leiterbahn, die eine geschlossene leitfähige Figur bildet, mit einer externen Spannungsversorgung verbunden ist. Auf diese Weise kann in der geschlossenen leitfähigen Figur unabhängig von bewegungsinduzierten Spannungen für einen Stromfluss gesorgt werden, der eine gewünschte Kraftkopplung an ein bestehendes Magnetfeld ermöglicht.
Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn eine Leiterbahn, die eine geschlossene leitfähige Figur bildet und zumindest teilweise fest mit der auslenkbaren Masse verbunden ist, ein Mittel zur Einstellung des Widerstandes und/oder ein Mittel zur Gleichrichtung enthält.
Besonders kompakte erfindungsgemäße mikromechanische Systeme lassen sich herstellen, wenn eine magnetfelderzeugende Einrichtung fest mit der Stützstruktur, die über mindestens ein Federelement auch die auslenkbare Masse trägt, verbunden und so angeordnet ist, dass der magnetische Fluss eine geschlossene leitfähige Figur einer Leiterbahn, die zumindest teilweise fest mit der auslenkbaren Masse verbunden ist, durchdringt. Hierfür eignen sich insbesondere Elektromagneten als Bestandteile der magnetfelderzeugenden Einrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
An Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems mit einer leitfähigen Spule auf einer auslenkbaren Masse;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems mit einer extern spannungsversorgten Spule auf einer auslenkbaren Masse;
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß verwendbaren leitfähigen Spule mit integriertem Transistor;
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß verwendbaren leitfähigen Spule mit integriertem pn-Übergang; 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems mit integriertem Elektromagneten.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in Form einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes mikromechanisches System. Das System umfasst eine auslenkbare Masse 1, die vorliegend über zwei Federelemente 2, 2' mit einer Stützstruktur 3 verbunden ist. Die Auslenkung der Masse 1 erfolgt in Form einer Torsion bzw. Torsionsschwingung. Die auslenkbare Masse 1 ist mit einer Leiterbahn 4 versehen, die fest mit der auslenkbaren Masse 1 verbunden ist und eine geschlossene leitfähige Figur in Form eines Kreises bildet. Sie bildet eine leitfähige Spule auf der auslenkbaren Masse 1. Im oberen Bereich der Stützstruktur 3 ist eine magnetische Feldlinie 5 dargestellt, welche die Darstellungsebene senkrecht durchstößt und die magnetische Feldrichtung auch im Bereich der auslenkbaren Masse 1 verdeutlicht. Das Magnetfeld kann sowohl durch Permanentmagneten als auch durch Elektromagneten erzeugt werden.
Wird die auslenkbare Masse 1 entsprechend des durch die Federelemente 2, 2' vorgegebenen Freiheitsgrades tordiert, ändert sich der vom beispielhaften Magnetfeld durchdrungene Querschnitt der geschlossenen leitfähigen Figur, was zum Auftreten eines entsprechenden Induktionsstromes in der Leiterbahn 4 führt. Dieser ist nach der Lenzschen Regel so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegen wirkt. Der Stromfluss führt also zur Ausbildung eines Magnetfeldes, das in Zusammenwirkung mit dem eingeprägten Magnetfeld 5 die jeweilige Bewegung der auslenkbaren Masse behindert, also dämpfend wirkt.
2 zeigt in Form einer schematischen Darstellung ein ähnliches erfindungsgemäßes mikromechanisches System mit einer extern spannungsversorgten Spule 4 auf einer auslenkbaren Masse 1. Die externe Spannungsversorgung 6 ermöglicht die Einstellung eines Stromes in der Spule, der nicht von der Bewegung der auslenkbaren Masse abhängt. Induktive Effekte können so verstärkt oder kompensiert werden. Beliebige Zeitverläufe der Kopplungsstärke zwischen der auslenkbaren Masse 1 und dem Magnetfeld 5 sind auf diese Weise realisierbar.
3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß verwendbaren leitfähigen Spule mit einem Mittel zur Einstellung des Widerstandes in Form einer in die Leiterbahn 4 integrierten Transistorstruktur 7. Die Transistorstruktur 7 weist eine Steuerleitung 8 auf, über die durch Anlegen eines entsprechenden Signals eine Aufsteuerung bzw. Schließung des Transistors 7 erfolgen kann. Im vorliegenden Fall erfolgt eine Ansteuerung des Gates, wodurch der Bereich unter dem Gate leitend oder nichtleitend geschaltet wird. Induktionsströme können nur dann fließen, wenn die Spule 4 durchgehend leitfähig ist, d. h. mit Hilfe der Transistorstruktur kann die Spule an- bzw. ausgeschaltet werden. Alternativ zum Schaltbetrieb kann mit einer derartigen Struktur der Widerstand der als Spule wirkenden Leiterbahn kontinuierlich verändert und dem jeweils gewünschten Induktionsstrom angepasst werden. CMOS- und Bipolartransistoren lassen sich gleichermaßen in erfindungsgemäßen Systemen verwenden. In derartigen Anordnungen ist es möglich, eine periodische Variation der mechanischen Rückstellkraft vorzunehmen. Diese Variation kann entsprechend vorprogrammierter Muster erfolgen, beispielsweise durch Hinterlegung entsprechender Steuermuster in einem nichtflüchtigen Speicherbaustein 13 (EEPROM).
4 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß verwendbaren leitfähigen Spule mit einem Mittel zur Gleichrichtung in Form eines in die Leiterbahn 4 integrierten pn-Überganges 9. Dadurch kann der Induktionsstrom nur in einer Richtung fließen. Auf diese Weise lassen sich besonders effektive Dämpfungssysteme zur Schwingungsentkopplung realisieren, da eine Dämpfungscharakteristik entsteht, die von der Auslenkungsrichtung der auslenkbaren Masse 1 abhängt, wodurch Resonanzen wirkungsvoll verhindert werden.
5 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems mit integriertem Elektromagneten. Die Stützstruktur wird durch mehrere übereinanderliegende Chip-Komponenten gebildet. Zwischen einem oberen 10 und einem unteren 11 Kappenwafer ist der zentrale Teil der Stützstruktur 3 in Form eines Siliziumchips eingebettet, mit dem die auslenkbare Masse 1 verbunden ist, die über eine Leiterbahn 4 in Form einer kreisförmigen Spule verfügt. Auf dem oberen Kappenwafer 10 ist eine magnetfelderzeugende Einrichtung 12 in Form einer Leiterschleife, die einen Elektromagneten darstellt, angeordnet. Durch Einstellung des Stromes, der diese Leiterschleife durchfließt, lässt sich auf einfache Weise die Stärke des Magnetfeldes und darüber die auf die auslenkbare Masse wirkende magnetische Kraft einstellen. Auf diese Weise lassen sich kompakte mikromechanische Systeme herstellen, die sich durch eine stabile Positionierung der magnetfelderzeugenden Einrichtung in Bezug auf die auslenkbare Masse 1 auszeichnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens eines mikromechanischen Systems mit einer auslenkbaren Masse umfasst im Wesentlichen drei Schritte. Zunächst ist die Anordnung mindestens einer Leiterbahn, die zumindest teilweise fest mit der auslenkbaren Masse verbunden und so angeordnet wird, dass sie eine geschlossene leitfähige Figur bildet, die als Spule wirkt, erforderlich. Hierbei kann durch vielfältige Maßnahmen eine Anpassung an Kopplungsanforderungen zwischen der auslenkbaren Masse und einem zur Verfügung zu stellenden Magnetfeld erfolgen. Die Anzahl der Spulen sowie gegebenenfalls die Anzahl der Windungen der Spulen, das verwendete Material für die Leiterbahnen, geometrische Auslegungen, die Symmetrie der Anordnung in Bezug auf Bewegungen der auslenkbaren Masse sowie die Integration von Steuerelementen in die Leiterbahnen stellen beispielhafte Möglichkeiten einer derartigen Anpassung dar. Unter Anordnung der Leiterbahn sind im Sinne der Erfindung alle Maßnahmen zu verstehen, die zur Ausprägung einer im fertigen mikromechanischen System wie beschrieben wirkenden leitfähigen Struktur führen. Darunter fallen Implantationsschritte, die leitfähige Bereiche, beispielsweise in Silizium-Wafern, erzeugen. Ebenso ist darunter ein Auftragen leitfähiger Strukturen auf Oberflächen, beispielsweise in Form von Aluminium-Leiterbahnen auf Chipoberflächen, zu verstehen.
Ein weiterer Schritt ist die Anordnung einer magnetfelderzeugenden Einrichtung derart, dass der magnetische Fluss die geschlossene leitfähige Figur durchdringt. Darunter ist eine Anordnung zu verstehen, in der vermieden wird, dass alle Feldlinien stets parallel zur Ebene der geschlossenen leitfähigen Figur im Bereich der auslenkbaren Masse verlaufen. Zu diesem Zweck kann eine externe Magnetanordnung platziert oder fest mit dem mikromechanischen System verbunden werden. Diese Verbindung kann durch Einbettung einer Magnetanordnung in verwendete Chipstrukturen oder durch Integration einer Magnetanordnung in Systemverpackungen erfolgen.
Der dritte Schritt besteht in der Einstellung der zumindest bei Auslenkung der auslenkbaren Masse auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft. Diese Einstellung erfolgt durch Einstellung des Betrages der magnetischen Feldstärke, beispielsweise durch Variation des Stromflusses durch einen Elektromagneten, und/oder durch Veränderung der geometrischen Form des Magnetfeldes und/oder durch Einstellung eines die geschlossene leitfähige Figur durchfließenden Stromes und/oder durch Einstellung des Widerstandes der geschlossenen leitfähigen Figur. Im Sinne der Erfindung sind darunter auch einmalige Konfigurierungen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems zu verstehen.
Die Erfindung ermöglicht sowohl eine aktive als auch passive Beeinflussung der auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft. Die passive Beeinflussung erfolgt nach einmaliger Konfiguration des erfindungsgemäßen Systems durch bewegungsinduzierte Effekte bei Auslenkung der auslenkbaren Masse. Die einmalige Konfiguration kann beispielsweise durch Strukturierung der mit der auslenkbaren Masse verbundenen Leiterbahnen erfolgen, also durch Öffnung von Abbrennstrecken, Dioden-Zapping, Oxid-Zapping oder durch Laser-Strukturierungen. Dabei wird die induktiv wirksame Struktur in Verbindung mit der auslenkbaren Masse einmalig festgelegt. Diese Methoden können zum Trimmen mikromechanischer Systeme, insbesondere für einen Abgleich beim Hersteller eingesetzt werden. Des weiteren können mit ähnlicher Wirkung elektrische Parameter, also insbesondere Ströme durch Elektromagneten oder als Spulen wirkende Leiterbahnen in Verbindung mit der auslenkbaren Masse auf konstante Werte festgelegt werden, die während des Einsatzes des erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems nicht verändert werden. Über die passive Beeinflussung der auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft lassen sich beispielsweise unerwünschte Vibrationen eines mikromechanischen Spiegels in Head-up-Displays in Kraftfahrzeugen reduzieren.
Die aktive Beeinflussung der auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft eröffnet besonders vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Dabei wird die Stärke der Wechselwirkung zwischen der magnetfelderzeugenden Einrichtung und der auslenkbaren Masse durch eine zeitabhängige Steuerung einzelner Parameter, insbesondere der Ströme durch Elektromagneten oder als Spulen wirkende Leiterbahnen in Verbindung mit der auslenkbaren Masse, eingestellt. Durch eine derartige aktive Beeinflussung können gezielt nichtlineare, asymmetrische oder der Auslenkung proportionale Rückstellkräfte realisiert und die Dämpfungseigenschaften erfindungsgemäßer mikromechanischer Systeme nahezu beliebig beeinflusst werden. Ungewollt nichtlineare Charakteristika mechanischer Federelemente können im Gegenzug kompensiert werden. Die Möglichkeit einer nachträglichen Anpassung der Schwingungseigenschaften an vorgegebene Einsatzanforderungen macht erfindungsgemäße mikromechanische Systeme weitgehend unabhängig von Fertigungstoleranzen, was die Ausbeute an verwendbaren Systemen steigert und dadurch die Herstellungskosten pro Einzelsystem senkt.
Es ist des Weiteren problemlos möglich, an unterschiedliche Einsatzanforderungen angepasste Varianten eines in einem einheitlichen Herstellungsprozess produzierten mikromechanischen Systems zu konfigurieren, indem beispielsweise die Empfindlichkeit und/oder die Eigenfrequenz des Systems nachträglich festgelegt wird. Diese Anpassung kann mit Hilfe geeigneter Ansteuerungen auch vom Kunden selbst vorgenommen werden. Die aktive beziehungsweise dynamische Anpassung der Schwingungseigenschaften ermöglicht darüber hinaus eine Anpassung an sich während des Betriebes ändernde Einsatzanforderungen.

Claims

Mikromechanisches System, umfassend mindestens eine auslenkbare Masse (1), die über mindestens ein Federelement (2) mit einer Stützstruktur (3) verbunden ist, und Mittel (4), die zusätzlich zu Kräften, die aus Deformationen des Federelementes (2) resultieren, eine Kraftübertragung auf die auslenkbare Masse (1) ermöglichen, wobei die Mittel zur Kraftübertragung auf die auslenkbare Masse mindestens eine Leiterbahn (4) umfassen, die zumindest teilweise fest mit der auslenkbaren Masse (1) verbunden und so angeordnet ist, dass sie eine geschlossene leitfähige Figur bildet, wobei ein Änderung eines magnetischen Flusses durch die geschlossene leitfähige Figur zu einem Stromfluss durch die geschlossene leitfähige Figur führt, wodurch sich eine Kraftwirkung auf die stromdurchflossene Leiterbahn und damit auf die auslenkbare Masse ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Steuerelement in die Leiterbahn (4) integriert ist, das ausgelegt ist, eine Einstellung der zumindest bei Auslenkung der auslenkbaren Masse auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft durch Beeinflussen des in der Leiterbahn fließenden Induktionsstroms vorzunehmen.
Mikromechanisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement eine externen Spannungsversorgung (6) enthält.
Mikromechanisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement ein Mittel zur Einstellung des Widerstandes (7) enthält.
Mikromechanisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement ein Mittel zur Gleichrichtung (9) enthält.
Mikromechanisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetfelderzeugende Einrichtung (12) fest mit der Stützstruktur (3) verbunden und so angeordnet ist, dass der magnetische Fluss eine geschlossene leitfähige Figur einer Leiterbahn (4), die zumindest teilweise fest mit der auslenkbaren Masse (1) verbunden ist, durchdringt.
Mikromechanisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugende Einrichtung (12) einen Elektromagneten enthält.
Verfahren zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens eines mikromechanischen Systems mit einer auslenkbaren Masse, umfassend folgende Schritte: – Anordnung mindestens einer Leiterbahn, die zumindest teilweise fest mit der auslenkbaren Masse verbunden und so angeordnet wird, dass sie eine geschlossene leitfähige Figur bildet, und wenigstens ein Steuerelement in die Leiterbahn integriert ist, – Anordnung einer magnetfelderzeugenden Einrichtung derart, dass der magnetische Fluss die geschlossene leitfähige Figur durchdringt, – Einstellung der zumindest bei Auslenkung der auslenkbaren Masse auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft durch Beeinflussen des in der Leiterbahn fließenden Induktionsstroms mit Hilfe des in die Leiterbahn integrierten Steuerelements.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der bei Auslenkung der auslenkbaren Masse auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft durch Einstellung eines die geschlossene leitfähige Figur durchfließenden Stromes und/oder durch Einstellung des Widerstandes der geschlossenen leitfähigen Figur vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der bei Auslenkung der auslenkbaren Masse auf die auslenkbare Masse wirkenden magnetischen Kraft zeitabhängig verändert wird.