Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung und eine Sensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung.The invention relates to a micromechanical component for a sensor device and a sensor device. The invention also relates to a method for operating a sensor device.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind mikromechanische Bauteile von Sensorvorrichtungen bekannt, welche zumindest ein sensitives Element aufweisen, welches derart an und/oder in einer Halterung des mikromechanischen Bauteils angeordnet ist, dass das sensitive Element mittels einer auf das mikromechanische Bauteil wirkenden Kraft verformbar oder in Bezug zu der Halterung verstellbar ist. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2017 220 412 A1 eine als sensitives Element eingesetzte seismische Masse, welche bei einer Beschleunigung des jeweiligen mikromechanischen Inertialsensors in Bezug zu einem Substrat als zumindest Teil der Halterung verstellbar ist. Des Weiteren beschreibt die DE 10 2017 210 598 A1 eine als sensitives Element eingesetzte Membran, welche mittels einer auf die jeweilige Sensor- und/oder Schalldetektiervorrichtung einwirkenden Druckkraft verformbar ist.Micromechanical components of sensor devices are known from the prior art which have at least one sensitive element which is arranged on and / or in a holder of the micromechanical component in such a way that the sensitive element is deformable or in relation to it by means of a force acting on the micromechanical component is adjustable to the bracket. For example, describes the DE 10 2017 220 412 A1 a seismic mass used as a sensitive element, which can be adjusted as at least part of the holder when the respective micromechanical inertial sensor is accelerated in relation to a substrate. Furthermore, the DE 10 2017 210 598 A1 a membrane used as a sensitive element, which is deformable by means of a pressure force acting on the respective sensor and / or sound detection device.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.The invention creates a micromechanical component for a sensor device with the features of claim 1, a sensor device with the features of claim 8 and a method for operating a sensor device with the features of claim 9.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zur Dämpfung von unerwünschten Bewegungen des zumindest einen sensitiven Elements eines mikromechanischen Bauteils/einer Sensorvorrichtung. Insbesondere ist mittels der vorliegenden Erfindung nicht nur eine unerwünschte einzelne Bewegung des zumindest einen sensitiven Elements, sondern auch ein Bewegungsmuster des zumindest einen sensitiven Elements selektiv dämpfbar/unterdrückbar. Die zumindest eine dazu an dem mikromechanischen Bauteil/der Sensorvorrichtung eingesetzte Dämpfungselektrode und der mindestens eine daran angebundene elektrische Widerstand sind passive elektrische Elemente, welche kostengünstig und mittels eines vergleichsweise geringen Arbeitsaufwands herstellbar sind. Außerdem ist eine Miniaturisierung der zumindest einen Dämpfungselektrode und des mindestens einen elektrischen Widerstands leicht realisierbar. Eine Nutzung der vorliegenden Erfindung zur Dämpfung mindestens einer unerwünschten Bewegung und/oder mindestens eines unerwünschten Bewegungsmusters des zumindest einen sensitiven Elements führt somit nicht/kaum zu einer Steigerung eines Volumens des jeweiligen mikromechanischen Bauteils/der jeweiligen Sensorvorrichtung oder zur Erhöhung von dessen/deren Herstellungskosten.The present invention creates advantageous possibilities for damping undesired movements of the at least one sensitive element of a micromechanical component / sensor device. In particular, by means of the present invention, not only an undesired individual movement of the at least one sensitive element, but also a movement pattern of the at least one sensitive element can be selectively damped / suppressed. The at least one damping electrode used for this on the micromechanical component / sensor device and the at least one electrical resistor connected to it are passive electrical elements which can be produced inexpensively and with comparatively little effort. In addition, the at least one damping electrode and the at least one electrical resistor can easily be miniaturized. Use of the present invention for damping at least one undesired movement and / or at least one undesired movement pattern of the at least one sensitive element thus does not / hardly lead to an increase in the volume of the respective micromechanical component / the respective sensor device or to an increase in its / its manufacturing costs.
Im Unterschied zu der herkömmlichen Dämpfung des zumindest einen sensitiven Elements durch Steigerung eines Innendrucks in einem das zumindest einen sensitiven Element umgebenden Volumen gemäß dem Stand der Technik ermöglicht die vorliegende Erfindung eine selektive Dämpfung von lediglich unerwünschten Bewegungen und/oder unerwünschten Bewegungsmustern des zumindest einen sensitiven Elements. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung ein vergleichsweise geringer Innendruck/Vakuum in dem das zumindest eine sensitive Element umgebenden Volumen vorherrschen kann. Dies verbessert eine Verstellbarkeit und/oder Verformbarkeit des zumindest einen sensitiven Elements als Reaktion auf die auf das mikromechanische Bauteil wirkende Kraft und eventuell auch eine Anregbarkeit des zumindest einen sensitiven Elements zu einer gewünschten Schwingbewegung.In contrast to the conventional damping of the at least one sensitive element by increasing an internal pressure in a volume surrounding the at least one sensitive element according to the prior art, the present invention enables selective damping of only undesired movements and / or undesired movement patterns of the at least one sensitive element . Another advantage of the present invention is that when the present invention is used, a comparatively low internal pressure / vacuum can prevail in the volume surrounding the at least one sensitive element. This improves the adjustability and / or deformability of the at least one sensitive element in response to the force acting on the micromechanical component and possibly also the ability to excite the at least one sensitive element to a desired oscillating movement.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils weist der elektrische Widerstand einen Widerstandswert von mindestens 20 kΩ (Kiloohm) auf. Eine Verformung des zumindest einen sensitiven Elements oder eine Verstellbewegung des zumindest einen sensitiven Elements in Bezug zu der zumindest einen Dämpfungselektrode kann somit einen vergleichsweise hohen Verluststrom auslösen, welcher zu einer guten Dämpfung der unerwünschten Verformung des zumindest einen sensitiven Elements oder der unerwünschten Verstellbewegung des zumindest einen sensitiven Elements führt. Beispielsweise kann der elektrische Widerstand einen Widerstandswert von mindestens 60 kΩ (Kiloohm) haben. Sofern eine Schwingbewegung des zumindest einen sensitiven Elements unerwünscht ist, ist es vorteilhaft, wenn der elektrische Widerstand einen Widerstandswert von mindestens 400 kΩ (Kiloohm), insbesondere von mindestens 1,2 MΩ (Megaohm), aufweist.In an advantageous embodiment of the micromechanical component, the electrical resistor has a resistance value of at least 20 kΩ (kiloohms). A deformation of the at least one sensitive element or an adjustment movement of the at least one sensitive element in relation to the at least one damping electrode can thus trigger a comparatively high leakage current, which leads to good damping of the undesired deformation of the at least one sensitive element or the undesired adjustment movement of the at least one sensitive element. For example, the electrical resistance can have a resistance value of at least 60 kΩ (kiloohms). If an oscillating movement of the at least one sensitive element is undesirable, it is advantageous if the electrical resistance has a resistance value of at least 400 kΩ (kilohms), in particular of at least 1.2 MΩ (megohms).
Vorzugsweise umfasst das mikromechanische Bauteil zusätzlich zu der ersten Dämpfungselektrode zumindest noch eine Sensorelektrode, welche zusammen mit zumindest einer jeweils zu der Sensorelektrode ausgerichteten Oberfläche des ersten sensitiven Elements jeweils einen Sensor-Kondensator bildet, an welchem ein Spannungssignal abgreifbar ist. Unter der zumindest einen Dämpfungselektrode ist somit keine als Sensorik des jeweiligen mikromechanischen Bauteils eingesetzte Sensorelektrode zu verstehen. Somit kann eine Detektion einer Verformung des zumindest einen sensitiven Elements oder einer Verstellbewegung des zumindest einen Elements mittels der zumindest einen Sensorelektrode ausgeführt werden, während die zumindest eine Dämpfungselektrode ausschließlich zur Dämpfung einer unerwünschten Verformung des zumindest einen sensitiven Elements oder einer unerwünschten Verstellbewegung des zumindest einen sensitiven Elements genutzt wird.In addition to the first damping electrode, the micromechanical component preferably comprises at least one sensor electrode which, together with at least one surface of the first sensitive element that is aligned with the sensor electrode, forms a sensor capacitor at which a voltage signal can be tapped. The at least one damping electrode is therefore not to be understood as a sensor electrode used as a sensor system for the respective micromechanical component. Thus, a Detection of a deformation of the at least one sensitive element or an adjustment movement of the at least one element can be carried out by means of the at least one sensor electrode, while the at least one damping electrode is used exclusively for damping an undesired deformation of the at least one sensitive element or an undesired adjustment movement of the at least one sensitive element .
Als vorteilhafte Weiterbildung kann das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch eine an und/oder in der Halterung angeordnete zweite Dämpfungselektrode umfassen, welche zusammen mit zumindest einer zu der zweiten Dämpfungselektrode ausgerichteten Oberfläche des ersten sensitiven Elements einen zweiten Kondensator bildet, an welchem der elektrische Widerstand ebenfalls angebunden ist, wobei die erste Dämpfungselektrode in einer ersten Richtung zu dem ersten sensitiven Element angeordnet ist und die zweite Dämpfungselektrode in einer zu der ersten Richtung entgegen gerichteten zweiten Richtung zu dem ersten sensitiven Element angeordnet ist. Wie unten genauer erläutert wird, können mittels der hier beschriebenen Anordnung der ersten Dämpfungselektrode und der zweiten Dämpfungselektrode unerwünschte Auslenkbewegungen einer als das erste sensitive Element eingesetzten seismischen Masse, ein Anstoßen der seismischen Masse, ein Nachschwingen der seismischen Masse und/oder Resonanzschwingungen der seismischen Masse verlässlich und gezielt verhindert werden.As an advantageous further development, the micromechanical component can additionally comprise a second damping electrode arranged on and / or in the holder, which together with at least one surface of the first sensitive element aligned with the second damping electrode forms a second capacitor to which the electrical resistor is also connected wherein the first damping electrode is arranged in a first direction to the first sensitive element and the second damping electrode is arranged in a second direction opposite to the first direction to the first sensitive element. As will be explained in more detail below, by means of the arrangement of the first damping electrode and the second damping electrode described here, undesired deflection movements of a seismic mass used as the first sensitive element, collision with the seismic mass, reverberation of the seismic mass and / or resonance oscillations of the seismic mass can be reliably achieved and specifically prevented.
Alternativ kann das mikromechanische Bauteil auch ein zweites sensitives Element umfasst, welches derart an und/oder in der Halterung angeordnet ist, dass das zweite sensitive Element mittels der auf das mikromechanische Bauteil wirkenden Kraft verformbar oder in Bezug zu der Halterung verstellbar ist, wobei das mikromechanische Bauteil zusätzlich eine an und/oder in der Halterung angeordnete zweite Dämpfungselektrode umfasst, welche zusammen mit zumindest einer zu der zweiten Dämpfungselektrode ausgerichteten Oberfläche des zweiten sensitiven Elements einen zweiten Kondensator bildet, an welchem der elektrische Widerstand ebenfalls angebunden ist. Somit ist auch eine Dämpfung sowohl des ersten sensitiven Elements als auch des zweiten sensitiven Elements mittels des elektrischen Widerstands möglich.Alternatively, the micromechanical component can also comprise a second sensitive element, which is arranged on and / or in the holder in such a way that the second sensitive element is deformable or adjustable in relation to the holder by means of the force acting on the micromechanical component, the micromechanical Component additionally comprises a second damping electrode arranged on and / or in the holder, which together with at least one surface of the second sensitive element aligned with the second damping electrode forms a second capacitor to which the electrical resistor is also connected. Damping of both the first sensitive element and the second sensitive element by means of the electrical resistance is thus also possible.
Insbesondere kann die erste Dämpfungselektrode in einer ersten Richtung zu dem ersten sensitiven Element angeordnet sein, während die zweite Dämpfungselektrode in der ersten Richtung oder in einer der ersten Richtung entgegen gerichteten zweiten Richtung zu dem zweiten sensitiven Element angeordnet ist. Mittels einer Anordnung der ersten Dämpfungselektrode in der ersten Richtung zu dem ersten sensitiven Element und der zweiten Dämpfungselektrode ebenfalls in der ersten Richtung zu dem zweiten sensitiven Element können Auslenkbewegungen der beiden sensitiven Elemente gemeinsam in die erste Richtung oder gemeinsam in die der ersten Richtung entgegen gerichtete zweite Richtung gezielt unterdrückt werden. Demgegenüber können mittels einer Anordnung der ersten Dämpfungselektrode in der ersten Richtung zu dem ersten sensitiven Element und der zweiten Dämpfungselektrode in der zweiten Richtung zu dem zweiten sensitiven Element bezüglich einer mittig zwischen den beiden sensitiven Elemente verlaufenden Achse spiegelsymmetrische Auslenkbewegungen der beiden sensitiven Elemente zueinander gezielt gedämpft werden.In particular, the first damping electrode can be arranged in a first direction to the first sensitive element, while the second damping electrode is arranged in the first direction or in a second direction opposite to the first direction to the second sensitive element. By arranging the first damping electrode in the first direction to the first sensitive element and the second damping electrode also in the first direction to the second sensitive element, deflection movements of the two sensitive elements can be carried out jointly in the first direction or jointly in the second direction opposite to the first Direction can be specifically suppressed. In contrast, by means of an arrangement of the first damping electrode in the first direction to the first sensitive element and the second damping electrode in the second direction to the second sensitive element with respect to an axis running centrally between the two sensitive elements, mirror-symmetrical deflection movements of the two sensitive elements to one another can be damped in a targeted manner .
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils umfasst der elektrische Widerstand eine mäanderförmige Bahn aus mindestens einem Halbleitermaterial und/oder Metall. Der elektrische Widerstand kann somit kostengünstig und mittels eines relativ geringen Arbeitsaufwands hergestellt werden.In a further advantageous embodiment of the micromechanical component, the electrical resistor comprises a meandering path made of at least one semiconductor material and / or metal. The electrical resistance can thus be produced inexpensively and with relatively little effort.
Auch eine Sensorvorrichtung mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet die vorausgehend beschriebenen Vorteile.A sensor device with such a micromechanical component also ensures the advantages described above.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Betreiben einer Sensorvorrichtung die oben schon beschriebenen Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Verfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden kann. Als Spannung kann beispielsweise ein zeitlich konstantes Spannungssignal an den Kondensator angelegt werden.Furthermore, executing a corresponding method for operating a sensor device also creates the advantages already described above. It is expressly pointed out that the method can be developed in accordance with the embodiments of the micromechanical component explained above. A voltage signal that is constant over time can be applied to the capacitor as the voltage, for example.
FigurenlisteFigure list
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a und 1b eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und ein Schaltbild zum Erläutern von dessen Funktionsweise;
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
- 6 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Sensorvorrichtung.
Further features and advantages of the present invention are explained below with reference to the figures. Show it: - 1a and 1b a schematic representation of a first embodiment of the micromechanical component and a circuit diagram for explaining its mode of operation;
- 2 a schematic representation of a second embodiment of the micromechanical component;
- 3 a schematic representation of a third embodiment of the micromechanical component;
- 4th a schematic representation of a fourth embodiment of the micromechanical component;
- 5 a schematic representation of a fifth embodiment of the micromechanical component; and
- 6th a flowchart for explaining an embodiment of the method for operating a sensor device.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
1a und 1b zeigen eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und ein Schaltbild zum Erläutern von dessen Funktionsweise. 1a and 1b show a schematic representation of a first specific embodiment of the micromechanical component and a circuit diagram to explain its mode of operation.
Das in 1a schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist als sein (einziges) sensitives Element 10 lediglich beispielhaft eine seismische Masse 10 auf. Das sensitive Element 10 ist derart an und/oder in einer Halterung, von welcher nur ein Substrat 12 in 1a dargestellt ist, angeordnet, dass das sensitive Element 10 mittels einer auf das mikromechanische Bauteil wirkenden Kraft in Bezug zu der Halterung/dem Substrat 12 verstellbar ist/verstellt wird. Insbesondere bei einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils mit einer entlang einer ersten Raumachse 14 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich Null wird das sensitive Element 10 in Bezug zu dem Substrat 12 aus seiner Ruhelage/Ruheposition entlang der ersten Raumachse 14 verschoben. Beispielhaft ist die erste Raumachse 14 parallel zu einer Substratoberfläche des Substrats 12, an welcher das sensitive Element 10 angeordnet/angebunden ist, ausgerichtet. Lediglich beispielhaft ist das sensitive Element 10 in dem Beispiel der 1a über vier Federn 16 an dem Substrat 12 angebunden. Auch die in 1a dargestellte spiegelsymmetrische Ausbildung der vier Federn 16 bezüglich der ersten Raumachse 14 und einer parallel zu der Substratoberfläche des Substrats 12 und senkrecht zu der ersten Raumachse 14 ausgerichteten zweiten Raumachse 18 ist nur beispielhaft zu interpretieren.This in 1a The schematically illustrated micromechanical component has as its (only) sensitive element 10 a seismic mass only as an example 10 on. The sensitive element 10 is in such a way on and / or in a holder, of which only one substrate 12th in 1a is shown, arranged that the sensitive element 10 by means of a force acting on the micromechanical component in relation to the holder / the substrate 12th is adjustable / is adjusted. In particular when the micromechanical component is accelerated along a first spatial axis 14th aligned acceleration component not equal to zero becomes the sensitive element 10 in relation to the substrate 12th from its rest position / rest position along the first spatial axis 14th postponed. The first spatial axis is an example 14th parallel to a substrate surface of the substrate 12th at which the sensitive element 10 is arranged / attached, aligned. The sensitive element is only exemplary 10 in the example of 1a about four springs 16 on the substrate 12th tied up. The in 1a illustrated mirror-symmetrical design of the four springs 16 with respect to the first spatial axis 14th and one parallel to the substrate surface of the substrate 12th and perpendicular to the first spatial axis 14th aligned second spatial axis 18th should only be interpreted as an example.
Die bei einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils mit einer entlang der ersten Raumachse 14 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich Null ausgelöste Bewegung des sensitiven Elements 10 in Bezug zu der Halterung/dem Substrat 12 ist mittels mindestens einer Sensorelektrode 20, welche zusammen mit zumindest einer jeweils zu der jeweiligen Sensorelektrode 20 ausgerichteten Oberfläche A1 des ersten sensitiven Elements 10 jeweils einen Sensor-Kondensator bildet, detektierbar. Zwischen der mindestens einen Sensorelektrode 20 und der jeweils dazu ausgerichteten Oberfläche A1 des ersten sensitiven Elements 10 ist jeweils ein Spannungssignal abgreifbar, welches entsprechend einem Abstand der jeweiligen Sensorelektrode 20 zu dem ersten sensitiven Element 10 variiert. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit der mindestens einen Sensorelektrode 20 optional ist. Zur Detektion der bei einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils mit einer entlang der ersten Raumachse 14 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich Null ausgelösten Bewegung des sensitiven Elements 10 kann auch ein anderes Detektionselement, wie beispielsweise ein piezoelektrisches Element, eingesetzt werden.When the micromechanical component is accelerated with one along the first spatial axis 14th aligned acceleration component not equal to zero triggered movement of the sensitive element 10 in relation to the holder / substrate 12th is by means of at least one sensor electrode 20th , which together with at least one each to the respective sensor electrode 20th aligned surface A1 of the first sensitive element 10 each forms a sensor capacitor, detectable. Between the at least one sensor electrode 20th and the respective surface aligned with it A1 of the first sensitive element 10 a voltage signal can be tapped off, which corresponds to a distance between the respective sensor electrode 20th to the first sensitive element 10 varies. It is pointed out, however, that the micromechanical component is equipped with the at least one sensor electrode 20th is optional. For the detection of an acceleration of the micromechanical component with one along the first spatial axis 14th aligned acceleration component not equal to zero triggered movement of the sensitive element 10 Another detection element, such as a piezoelectric element, can also be used.
Jedoch weist das mikromechanische Bauteil zumindest eine an und/oder in der Halterung angeordnete erste Dämpfungselektrode 22a auf, welche zusammen mit zumindest einer zu der ersten Dämpfungselektrode 22a ausgerichteten Oberfläche A2 des sensitiven Elements 10 einen ersten Dämpfungs-Kondensator bildet. Ein (in 1a nur schematisch dargestellte) elektrischer Widerstand R ist an dem ersten Dämpfungs-Kondensator angebunden. Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass unter der ersten Dämpfungselektrode 22a keine Sensorelektrode 20, welche zur Detektion der bei einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils mit einer entlang der ersten Raumachse 14 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich Null ausgelösten Bewegung des sensitiven Elements 10 verwendet wird, zu verstehen ist.However, the micromechanical component has at least one first damping electrode arranged on and / or in the holder 22a on, which together with at least one to the first damping electrode 22a aligned surface A2 of the sensitive element 10 forms a first damping capacitor. A (in 1a Electrical resistance R (only shown schematically) is connected to the first damping capacitor. It is expressly pointed out here that under the first damping electrode 22a no sensor electrode 20th which is used to detect the acceleration of the micromechanical component with a along the first spatial axis 14th aligned acceleration component not equal to zero triggered movement of the sensitive element 10 is used is to be understood.
Als vorteilhafte Ergänzung hat das mikromechanische Bauteil noch eine an und/oder in der Halterung angeordnete zweite Dämpfungselektrode 22b, welche zusammen mit zumindest einer zu der zweiten Dämpfungselektrode 22b ausgerichteten Oberfläche A3 des sensitiven Elements 10 einen zweiten Dämpfungs-Kondensator bildet. Außerdem ist der zweite Dämpfungs-Kondensator ebenfalls an dem elektrischen Widerstand R angebunden. Durch die Verwendung des (einzigen) elektrischen Widerstands R für beide Dämpfungs-Kondensatoren ist eine Miniaturisierung des mikromechanischen Bauteils möglich. (Auch unter der zweiten Dämpfungselektrode 22b ist keine Sensorelektrode 20 zu verstehen.)As an advantageous addition, the micromechanical component also has a second damping electrode arranged on and / or in the holder 22b , which together with at least one to the second damping electrode 22b aligned surface A3 of the sensitive element 10 forms a second damping capacitor. In addition, the second damping capacitor is also connected to the electrical resistor R. By using the (single) electrical resistor R for both damping capacitors, miniaturization of the micromechanical component is possible. (Also under the second damping electrode 22b is not a sensor electrode 20th to understand.)
Wie in dem Schaltbild der 1b erkennbar, ist der elektrische Widerstand R in Reihe mit einer (Gesamt-) Kapazität C(x) des mindestens einen Dämpfungs-Kondensators „geschaltet“. Außerdem ist eine Spannung V derart an den ersten Dämpfungs-Kondensator und an den zweiten Dämpfungs-Kondensator anlegbar oder angelegt, dass eine Verstellbewegung des sensitiven Elements 10 in Bezug zu der ersten Dämpfungselektrode 22a und/oder in Bezug zu der zweiten Dämpfungselektrode 22b einen Verluststrom I auslöst. Mittels der ersten Dämpfungselektrode 22a, der zweiten Dämpfungselektrode 22b und dem elektrischen Widerstand R kann somit eine unerwünschte Verstellbewegung des sensitiven Elements 10 in Bezug zu der ersten Dämpfungselektrode 22a und/oder der zweiten Dämpfungselektrode 22b gedämpft werden.As in the circuit diagram of the 1b recognizable, the electrical resistance R is “connected” in series with a (total) capacitance C (x) of the at least one damping capacitor. In addition, a voltage V can be applied or applied to the first damping capacitor and to the second damping capacitor in such a way that an adjustment movement of the sensitive element 10 with respect to the first damping electrode 22a and / or in relation to the second damping electrode 22b triggers a leakage current I. By means of the first damping electrode 22a , the second damping electrode 22b and the electrical resistance R can thus cause an undesired adjustment movement of the sensitive element 10 with respect to the first damping electrode 22a and / or the second damping electrode 22b be dampened.
Eine mittels der mindestens Dämpfungselektrode 22a und 22b bewirkte Dämpfungskraft FED ist gemäß Gleichung (Gl. 1) gegeben durch:
wobei x eine (Gesamt-)Auslenkung des sensitiven Elements 10 in Bezug zu der mindestens Dämpfungselektrode 22a und 22b ist.One by means of the at least one damping electrode 22a and 22b The damping force FED caused is given according to equation (Eq. 1) by: where x is a (total) deflection of the sensitive element 10 in relation to the at least damping electrode 22a and 22b is.
Die (Gesamt-) Kapazität C(x) des mindestens einen Dämpfungs-Kondensators hängt von einem jeweiligen Abstand des in seiner Ruhelage/Ruheposition vorliegenden sensitiven Elements 10 zu der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b und von einer jeweiligen Fläche der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b ab. Die mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b und dem elektrischen Widerstand R bewirkbare Dämpfung hängt deshalb von einer Masse m des sensitiven Elements 10, dem jeweiligen Abstand des in seiner Ruhelage/Ruheposition vorliegenden sensitiven Elements 10 zu der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b, der jeweiligen Fläche der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b, der anliegenden Spannung V und dem Widerstandswert des elektrischen Widerstands R ab. Der jeweilige Abstand des in seiner Ruhelage/Ruheposition vorliegenden sensitiven Elements 10 zu der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b, die jeweilige Fläche der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b, die anliegende Spannung V und der Widerstandswert des elektrischen Widerstands R sind mit einer großen Designfreiheit in gewissen Grenzen wählbar, sodass ein mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b zu bewirkendes Dämpfungsverhalten auf einfache Weise festgelegt werden kann.The (total) capacitance C (x) of the at least one damping capacitor depends on a respective distance between the sensitive element present in its rest position / rest position 10 to the at least one damping electrode 22a and 22b and from a respective face of the at least one damping electrode 22a and 22b away. By means of the at least one damping electrode 22a and 22b and the attenuation that can be brought about by the electrical resistance R therefore depends on a mass m of the sensitive element 10 , the respective distance of the sensitive element present in its rest position / rest position 10 to the at least one damping electrode 22a and 22b , the respective area of the at least one damping electrode 22a and 22b , the applied voltage V and the resistance value of the electrical resistance R. The respective distance of the sensitive element present in its rest position / rest position 10 to the at least one damping electrode 22a and 22b , the respective area of the at least one damping electrode 22a and 22b , the applied voltage V and the resistance value of the electrical resistance R can be selected with great design freedom within certain limits, so that a by means of the at least one damping electrode 22a and 22b the damping behavior to be effected can be determined in a simple manner.
Für einen „elektronischen“ Gütefaktor Qel der mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b zu bewirkenden Dämpfung gilt gemäß Gleichung (Gl. 2):
wobei ω0 eine Resonanzfrequenz einer mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b zu dämpfenden Schwingbewegung des sensitiven Elements 10 ist. Somit kann mittels einer Ausbildung des mikromechanischen Bauteils, beispielsweise seiner vier Federn 16, auch ein guter „elektronischer“ Gütefaktor Qel der mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b zu bewirkenden Dämpfung sichergestellt werden.For an “electronic” quality factor Q el by means of the at least one damping electrode 22a and 22b The damping to be effected applies according to equation (Eq. 2): where ω 0 is a resonance frequency by means of the at least one damping electrode 22a and 22b oscillating movement of the sensitive element to be damped 10 is. Thus, by means of an embodiment of the micromechanical component, for example its four springs 16 , also a good “electronic” quality factor Q el by means of the at least one damping electrode 22a and 22b to be effected attenuation can be ensured.
Für eine Gesamtgüte Qtotal einer insgesamt auf das sensitive Element 10 ausgeübten Dämpfung umfassend die mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a und 22b bewirkte Dämpfung und eine mittels eines Luft-Gas-Gemisches in einer Umgebung des sensitiven Elements 10 bewirkte Dämpfung gilt gemäß Gleichung (Gl. 3):
wobei Q0 ein Gütefaktor der mittels des Luft-Gas-Gemisches in der Umgebung des sensitiven Elements 10 bewirkten Dämpfung ist. Die Gesamtgüte Qtotal kann maßgeblich durch den „elektronischen“ Gütefaktor Qel eingestellt werden, indem gilt:
For a total quality Q total one total on the sensitive element 10 Damping exerted comprising the means of the at least one damping electrode 22a and 22b caused damping and one by means of an air-gas mixture in an environment of the sensitive element 10 The resulting damping applies according to equation (Eq. 3): where Q 0 is a quality factor of the air-gas mixture in the vicinity of the sensitive element 10 caused attenuation is. The overall quality Q total can largely be adjusted by the "electronic" quality factor Q el , in which the following applies:
Dies ist gewährleistet, wenn für den Widerstandswert des elektrischen Widerstands R Gleichung (Gl. 4) gilt mit:
This is guaranteed if for the resistance value of the electrical resistance R equation (Eq. 4) applies with:
Gleichung (Gl. 4) ist erfüllt, wenn der elektrische Widerstand R einen Widerstandswert von mindestens 20 kΩ (Kiloohm), insbesondere von mindestens 60 kΩ (Kiloohm), aufweist. Sofern eine Schwingbewegung des sensitiven Elements 10 unerwünscht ist, ist es vorteilhaft, wenn der elektrische Widerstand R einen Widerstandswert von mindestens 400 kΩ (Kiloohm), insbesondere von mindestens 1,2 MΩ (Megaohm), aufweist.Equation (Eq. 4) is fulfilled if the electrical resistance R has a resistance value of at least 20 kΩ (kilo ohms), in particular of at least 60 kΩ (kilo ohms). If there is an oscillating movement of the sensitive element 10 is undesirable, it is advantageous if the electrical resistor R has a resistance value of at least 400 kΩ (kilohms), in particular of at least 1.2 MΩ (megohms).
In dem Beispiel der 1a ist die erste Dämpfungselektrode 22a in einer (entlang der Raumachse 14 verlaufenden) ersten Richtung 24a zu dem sensitiven Element 10 angeordnet, während die zweite Dämpfungselektrode 22b in einer (entlang der Raumachse 14 verlaufenden und) der ersten Richtung 24a entgegen gerichteten zweiten Richtung 24b zu dem sensitiven Element 10 angeordnet ist. Die bei einer Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils mit einer entlang der ersten Raumachse 14 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich Null ausgelöste Bewegung des sensitiven Elements 10 bewirkt somit einen signifikanten Verluststrom I, welcher eine verlässliche Dämpfung einer durch die Auslenkung des sensitiven Elements 10 aus seiner Ruhelage/Ruheposition zu befürchtenden Schwingbewegung des sensitiven Elements 10 bewirkt. Die mittels der Dämpfungselektroden 22a und 22b bewirkbare Dämpfung kann beispielsweise ein Anstoßen des sensitiven Elements 10, ein unerwünschtes Nachschwingen/„Pendelschwingen“ des sensitiven Elements 10 als Reaktion auf seine Auslenkung aus seiner Ruhelage/Ruheposition und/oder Resonanzschwingungen des sensitiven Elements 10 verhindern. Das mikromechanische Bauteil kann deshalb problemlos auch in Schallwellen aussendenden Geräten, wie beispielsweise einem Mobiltelefon, verwendet werden, ohne dass eine Anregung des sensitiven Elements 10 zu Resonanzschwingungen zu befürchten ist.In the example of the 1a is the first damping electrode 22a in one (along the spatial axis 14th running) first direction 24a to the sensitive element 10 arranged while the second damping electrode 22b in one (along the spatial axis 14th running and) the first direction 24a opposite second direction 24b to the sensitive element 10 is arranged. When the micromechanical component is accelerated with one along the first spatial axis 14th aligned acceleration component not equal to zero triggered movement of the sensitive element 10 thus causes a significant leakage current I, which a reliable damping of a due to the deflection of the sensitive element 10 from its rest position / Rest position to be feared oscillating movement of the sensitive element 10 causes. The means of the damping electrodes 22a and 22b The damping that can be brought about can, for example, be caused by the sensitive element bumping into it 10 , an unwanted oscillation / "pendulum oscillation" of the sensitive element 10 as a reaction to its deflection from its rest position / rest position and / or resonance vibrations of the sensitive element 10 impede. The micromechanical component can therefore also be used in devices that emit sound waves, such as a mobile phone, for example, without any excitation of the sensitive element 10 resonance vibrations is to be feared.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the micromechanical component.
Das in 2 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist eine erste seismische Masse 10a als sein erstes sensitives Element 10a und eine zweite seismische Masse 10b als sein zweites sensitives Element 10b auf. Das erste sensitive Element 10a und das zweite sensitive Element 10b sind über je vier Federn 16 an einem Substrat 12 angebunden. Die parallel zu einer Substratoberfläche des Substrats 12 ausgerichtete Raumachse 18 verläuft mittig zwischen den beiden sensitiven Elementen 10a und 10b.This in 2 The micromechanical component shown schematically has a first seismic mass 10a as its first sensitive element 10a and a second seismic mass 10b as his second sensitive element 10b on. The first sensitive element 10a and the second sensitive element 10b are about four springs each 16 on a substrate 12th tied up. The parallel to a substrate surface of the substrate 12th aligned spatial axis 18th runs centrally between the two sensitive elements 10a and 10b .
Außerdem sind an jedem sensitiven Element 10a und 10b mehrere Antriebselektroden 26 derart angeordnet, dass jede der Antriebselektroden 26 zusammen mit einer jeweils zu ihr ausgerichteten Oberfläche A4 des benachbarten sensitiven Elements 10a oder 10b jeweils einen Antriebs-Kondensator bildet, an welchem ein Spannungssignal anlegbar ist. Mittels der Antriebselektroden 26 sind auf diese Weise das erste sensitive Element 10a zu einer parallel zu der Raumachse 18 ausgerichteten ersten Schwingbewegung 26a in Bezug zu dem Substrat 12 und das zweite sensitive Element 10b zu einer parallel zu der Raumachse 18 ausgerichteten zweiten Schwingbewegung 26b in Bezug zu dem Substrat 12 anregbar. Die sensitiven Elemente 10a und 10b, ihre Federn 16 und ihre Antriebselektroden 26 sind vorzugsweise spiegelsymmetrisch bezüglich der Raumachse 18 und spiegelsymmetrisch bezüglich der senkrecht zu der Raumachse 18 verlaufenden Raumachse 14 ausgebildet. Bevorzugter Weise sind die beiden sensitiven Elemente 10a und 10b über ein Kopplungselement 28 miteinander verbunden.Also are on every sensitive element 10a and 10b several drive electrodes 26th arranged such that each of the drive electrodes 26th together with a surface that is aligned with it A4 of the neighboring sensitive element 10a or 10b each forms a drive capacitor to which a voltage signal can be applied. By means of the drive electrodes 26th are in this way the first sensitive element 10a to one parallel to the spatial axis 18th aligned first swinging movement 26a in relation to the substrate 12th and the second sensitive element 10b to one parallel to the spatial axis 18th aligned second oscillating movement 26b in relation to the substrate 12th stimulable. The sensitive elements 10a and 10b , their feathers 16 and their drive electrodes 26th are preferably mirror-symmetrical with respect to the spatial axis 18th and mirror-symmetrical with respect to the perpendicular to the spatial axis 18th running spatial axis 14th educated. The two sensitive elements are preferred 10a and 10b via a coupling element 28 connected with each other.
Bei einer Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils mit einer senkrecht zu den Raumachsen 14 und 18 ausgerichteten Drehkomponente ungleich Null wirkt eine Corioliskraft derart auf die mittels der Antriebselektroden 26 in ihre Schwingbewegungen 26a und 26b versetzten sensitiven Elemente 10a und 10b, dass die sensitiven Elemente 10a und 10b entlang der Raumachse 14 in Bezug zu dem Substrat 12 verstellt werden. Mittels einer Anregung der sensitiven Elemente 10a und 10b derart, dass die zweite Schwingbewegung 26b des zweiten sensitiven Elements 10b in Bezug zu dem Substrat 12 um 180° phasenverschoben zu der ersten Schwingbewegung 26a des ersten sensitiven Elements 10a in Bezug zu dem Substrat 12 ist, kann gewährleistet werden, dass die sensitiven Elemente 10a und 10b von der Corioliskraft in entgegen gerichtete Auslenkrichtungen entlang der Raumachse 14 in Bezug zu dem Substrat 12 verstellt werden. Dies erleichtert eine Detektion der von der Corioliskraft ausgelösten Verstellbewegungen der sensitiven Elemente 10a und 10b mittels mindestens einer Sensorelektrode 20 pro sensitivem Element 10a und 10b.With a rotary movement of the micromechanical component with one perpendicular to the spatial axes 14th and 18th aligned rotational component not equal to zero, a Coriolis force acts in such a way on the means of the drive electrodes 26th in their swinging movements 26a and 26b offset sensitive elements 10a and 10b that the sensitive elements 10a and 10b along the spatial axis 14th in relation to the substrate 12th adjusted. By stimulating the sensitive elements 10a and 10b such that the second oscillating movement 26b of the second sensitive element 10b in relation to the substrate 12th 180 ° out of phase with the first oscillating movement 26a of the first sensitive element 10a in relation to the substrate 12th it can be guaranteed that the sensitive elements 10a and 10b by the Coriolis force in opposite directions of deflection along the spatial axis 14th in relation to the substrate 12th adjusted. This makes it easier to detect the adjustment movements of the sensitive elements triggered by the Coriolis force 10a and 10b by means of at least one sensor electrode 20th per sensitive element 10a and 10b .
Das mikromechanische Bauteil weist eine erste Dämpfungselektrode 22a auf, welche zusammen mit zumindest einer zu der ersten Dämpfungselektrode 22a ausgerichteten Oberfläche A2 des ersten sensitiven Elements 10 einen ersten Dämpfungs-Kondensator bildet, an welchem über eine Leiterbahn 30a ein elektrischer Widerstand Ra angebunden ist. Zusätzlich umfasst das mikromechanische Bauteil eine zweite Dämpfungselektrode 22b, welche zusammen mit zumindest einer zu der zweiten Dämpfungselektrode 22b ausgerichteten Oberfläche A3 des zweiten sensitiven Elements 10b einen zweiten Dämpfungs-Kondensator bildet, an welchem der elektrische Widerstand Ra über die Leiterbahn 30a ebenfalls angebunden ist.The micromechanical component has a first damping electrode 22a on, which together with at least one to the first damping electrode 22a aligned surface A2 of the first sensitive element 10 forms a first damping capacitor, on which via a conductor track 30a an electrical resistance Ra is connected. In addition, the micromechanical component includes a second damping electrode 22b , which together with at least one to the second damping electrode 22b aligned surface A3 of the second sensitive element 10b forms a second damping capacitor on which the electrical resistance Ra via the conductor track 30a is also connected.
In der Ausführungsform der 2 ist die erste Dämpfungselektrode 22a in einer (entlang der Raumachse 14 ausgerichteten) ersten Richtung 24a zu der ersten seismischen Masse 10a angeordnet und die zweite Dämpfungselektrode 22b ist ebenfalls in der ersten Richtung 24a zu der zweiten seismischen Masse 22b. Die mittels der Corioliskraft auslösbaren Verstellbewegungen der in ihre um 180° phasenverschobenen Schwingbewegungen 26a und 26b versetzten sensitiven Elemente 10a und 10b in entgegen gerichtete Auslenkrichtungen entlang der Raumachse 14 bewirken kaum eine Änderung einer (Gesamt-) Kapazität C(x) aus einer ersten Kapazität des ersten Dämpfungs-Kondensators und einer zweiten Kapazität des zweiten Dämpfungs-Kondensators. Deshalb wird das „erwünschte Bewegungsmuster“ von Verstellbewegungen der in ihre um 180° phasenverschobenen Schwingbewegungen 26a und 26b versetzten sensitiven Elemente 10a und 10b in entgegen gerichtete Auslenkrichtungen kaum gedämpft. Werden die sensitiven Elemente 10a und 10b hingegen gemeinsam in die erste Richtung 24a oder gemeinsam in eine der ersten Richtung 24a entgegen gerichtete zweite Richtung 24b in Bezug zu dem Substrat 12 verstellt, so führt dies zu einer signifikanten Änderung der (Gesamt-) Kapazität C(x), und damit auch zur gezielten Dämpfung dieses „unerwünschten Bewegungsmusters“ von Verstellbewegungen der beiden sensitiven Elemente 10a und 10b gemeinsam in die erste Richtung 24a oder gemeinsam in die zweite Richtung 24b in Bezug zu dem Substrat 12.In the embodiment of 2 is the first damping electrode 22a in one (along the spatial axis 14th aligned) first direction 24a to the first seismic mass 10a arranged and the second damping electrode 22b is also in the first direction 24a to the second seismic mass 22b . The adjustment movements of the oscillating movements, which can be triggered by means of the Coriolis force, are phase-shifted by 180 ° 26a and 26b offset sensitive elements 10a and 10b in opposite directions of deflection along the spatial axis 14th hardly cause a change in a (total) capacitance C (x) from a first capacitance of the first damping capacitor and a second capacitance of the second damping capacitor. Therefore, the "desired movement pattern" is created by adjusting movements of the oscillating movements, which are phase-shifted by 180 ° 26a and 26b offset sensitive elements 10a and 10b hardly damped in opposite directions of deflection. Become the sensitive elements 10a and 10b however, together in the first direction 24a or together in one of the first directions 24a opposite second direction 24b in relation to the substrate 12th adjusted, this leads to a significant change in the (total) capacitance C (x), and thus also for the targeted dampening of this "unwanted movement pattern" of adjustment movements of the two sensitive elements 10a and 10b together in the first direction 24a or together in the second direction 24b in relation to the substrate 12th .
Als optionale Weiterbildung umfasst das mikromechanische Bauteil auch eine dritte Dämpfungselektrode 22c auf, welche zusammen mit zumindest einer zu der dritten Dämpfungselektrode 22a ausgerichteten Oberfläche des ersten sensitiven Elements 10 einen dritten Dämpfungs-Kondensator bildet, und eine vierte Dämpfungselektrode 22d, welche zusammen mit zumindest einer zu der vierten Dämpfungselektrode 22d ausgerichteten Oberfläche des zweiten sensitiven Elements 10b einen vierten Dämpfungs-Kondensator bildet. Ein weiterer elektrischer Widerstand Rb ist über eine Leiterbahn 30b an dem dritten Dämpfungs-Kondensator und an dem vierten Dämpfungs-Kondensator angebunden. Außerdem ist die dritte Dämpfungselektrode 22c in der zweiten Richtung 24b zu der ersten seismischen Masse 10a angeordnet und die vierte Dämpfungselektrode 22d ist ebenfalls in der zweiten Richtung 24b zu der zweiten seismischen Masse 22b angeordnet. Auch die dritten Dämpfungselektrode 22c und die vierte Dämpfungselektrode 22d tragen damit zur gezielten Dämpfung des oben beschriebenen „unerwünschten Bewegungsmusters“ bei.As an optional development, the micromechanical component also includes a third damping electrode 22c on, which together with at least one to the third damping electrode 22a aligned surface of the first sensitive element 10 forms a third snubber capacitor, and a fourth snubber electrode 22d , which together with at least one to the fourth damping electrode 22d aligned surface of the second sensitive element 10b forms a fourth damping capacitor. Another electrical resistance Rb is via a conductor track 30b connected to the third damping capacitor and to the fourth damping capacitor. Also is the third damping electrode 22c in the second direction 24b to the first seismic mass 10a arranged and the fourth damping electrode 22d is also in the second direction 24b to the second seismic mass 22b arranged. Also the third damping electrode 22c and the fourth damping electrode 22d thus contribute to the targeted dampening of the "unwanted movement pattern" described above.
In einer alternativen Ausführungsform kann die erste Dämpfungselektrode 22a in der (entlang der Raumachse 14 ausgerichteten) ersten Richtung 24a zu der ersten seismischen Masse 10a angeordnet sein, während die zweite Dämpfungselektrode 22b in der der ersten Richtung 24a entgegen gerichteten zweiten Richtung 24b zu der zweiten seismischen Masse 22b angeordnet ist. Evtl. kann auch die dritten Dämpfungselektrode 22c in der zweiten Richtung 24b zu der ersten seismischen Masse 10a angeordnet sein, während die vierte Dämpfungselektrode 22d in der ersten Richtung 24a zu der zweiten seismischen Masse 22b angeordnet ist. In diesem Fall können Verstellbewegungen der evtl. in gleichphasige Schwingbewegungen versetzten sensitiven Elemente 10a und 10b in entgegen gerichtete Auslenkrichtungen gezielt gedämpft werden.In an alternative embodiment, the first damping electrode 22a in the (along the spatial axis 14th aligned) first direction 24a to the first seismic mass 10a be arranged while the second damping electrode 22b in the first direction 24a opposite second direction 24b to the second seismic mass 22b is arranged. Possibly the third damping electrode can also be used 22c in the second direction 24b to the first seismic mass 10a be arranged while the fourth damping electrode 22d in the first direction 24a to the second seismic mass 22b is arranged. In this case, adjustment movements of the sensitive elements, which may have been set in in-phase oscillating movements, can be carried out 10a and 10b are deliberately damped in opposite directions of deflection.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Techniken nicht auf eine Dämpfung von „unerwünschten Bewegungsmustern“ von lediglich zwei sensitiven Elementen 10a und 10b beschränkt ist.It should also be noted that the techniques described above are not intended to dampen “unwanted movement patterns” from just two sensitive elements 10a and 10b is limited.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the micromechanical component.
Das in 3 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform lediglich darin, dass der mindestens eine elektrische Widerstand Ra und Rb jeweils als eine mäanderförmige Bahn 32a und 32b aus mindestens einem Halbleitermaterial und/oder Metall ausgebildet ist. Der mindestens eine elektrische Widerstand Ra und Rb ist somit in das mikromechanische Bauteil integriert.This in 3 The schematically illustrated micromechanical component differs from the embodiment described above only in that the at least one electrical resistance Ra and Rb each take the form of a meander-shaped path 32a and 32b is formed from at least one semiconductor material and / or metal. The at least one electrical resistance Ra and Rb is thus integrated into the micromechanical component.
Die mindestens eine mäanderförmige Bahn 32a und 32b kann beispielsweise aus Silizium sein. Eine Breite b der jeweiligen mäanderförmigen Bahn 32a oder 32b parallel zu der Substratoberfläche des Substrats 12 kann kleiner als 2 µm (Mikrometer), insbesondere kleiner als 1 µm (Mikrometer), speziell kleiner als 0,5 µm (Mikrometer), sein. Die jeweilige mäanderförmige Bahn 32a oder 32b kann aus einer Schicht mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche des Substrats 12 ausgerichteten Schichtdicke unter 2 µm (Mikrometer), speziell unter 1 µm (Mikrometer), herausstrukturiert sein. Der Widerstandswert des mindestens einen elektrischen Widerstands Ra und Rb kann außerdem mittels einer vergleichsweise niedrigen Dotierung der jeweiligen mäanderförmigen Bahn 32a oder 32b auf einen bevorzugten Wert festgelegt werden. Vorteilhafte Widerstandswerte für den mindestens einen elektrischen Widerstand Ra und Rb sind oben schon genannt.The at least one meandering path 32a and 32b can for example be made of silicon. A width b of the respective meandering path 32a or 32b parallel to the substrate surface of the substrate 12th can be smaller than 2 µm (micrometers), in particular smaller than 1 µm (micrometers), especially smaller than 0.5 µm (micrometers). The respective meandering path 32a or 32b may consist of a layer with one perpendicular to the substrate surface of the substrate 12th aligned layer thickness below 2 µm (micrometer), especially below 1 µm (micrometer). The resistance value of the at least one electrical resistance Ra and Rb can also be achieved by means of a comparatively low doping of the respective meander-shaped path 32a or 32b can be set to a preferred value. Advantageous resistance values for the at least one electrical resistance Ra and Rb have already been mentioned above.
Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils de 3 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor beschriebene Ausführungsform verwiesen.With regard to other features of the micromechanical component de 3 and its advantages, reference is made to the embodiment described above.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. 4th shows a schematic representation of a fourth embodiment of the micromechanical component.
In der Ausführungsform der 4 sind die erste Dämpfungselektrode 22a und die zweite Dämpfungselektrode 22b über die Leiterbahn 30a mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche des Substrats 12 ausgerichteten ersten Schichtdicke und mit einer ersten Dotierungskonzentration miteinander verbunden. Die an der Leiterbahn 30a angebundene und als elektrischer Widerstand Ra genutzte mäanderförmige Bahn 32a weist senkrecht zu der Substratoberfläche des Substrats 12 eine zweite Schichtdicke und eine zweite Dotierungskonzentration auf, wobei die zweite Schichtdicke der mäanderförmigen Bahn 32a kleiner als die erste Schichtdicke der Leiterbahn 30a ist und/oder die zweite Dotierungskonzentration der mäanderförmigen Bahn 32a kleiner als die erste Dotierungskonzentration der Leiterbahn 30a ist. Optionaler Weise sind auch die dritte Dämpfungselektrode 22c und die vierte Dämpfungselektrode 22d über die weitere Leiterbahn 30b, an welcher die als elektrischer Widerstand Rb genutzte mäanderförmige Bahn 32b angebunden ist, miteinander verbunden. Vorzugsweise ist eine senkrecht zu der Substratoberfläche des Substrats 12 ausgerichtete dritte Schichtdicke der mäanderförmigen Bahn 32b kleiner als eine senkrecht zu der Substratoberfläche des Substrats 12 ausgerichtete vierte Schichtdicke der Leiterbahn 30b und/oder eine dritte Dotierungskonzentration der mäanderförmigen Bahn 32b ist kleiner als eine vierte Dotierungskonzentration der Leiterbahn 30b.In the embodiment of 4th are the first damping electrode 22a and the second damping electrode 22b over the conductor track 30a with one perpendicular to the substrate surface of the substrate 12th aligned first layer thickness and connected to one another with a first doping concentration. The one on the track 30a meandering path connected and used as electrical resistance Ra 32a faces perpendicular to the substrate surface of the substrate 12th a second layer thickness and a second doping concentration, the second layer thickness of the meandering path 32a smaller than the first layer thickness of the conductor track 30a and / or the second doping concentration of the meandering path 32a smaller than the first doping concentration of the conductor track 30a is. The third damping electrode is also optional 22c and the fourth damping electrode 22d over the further conductor track 30b on which the meandering path used as electrical resistance Rb 32b is connected, connected to each other. Preferably one is perpendicular to the substrate surface of the substrate 12th aligned third Layer thickness of the meandering path 32b smaller than one perpendicular to the substrate surface of the substrate 12th aligned fourth layer thickness of the conductor track 30b and / or a third doping concentration of the meandering path 32b is smaller than a fourth doping concentration of the conductor track 30b .
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der Ausführungsform der 4 und ihrer Vorteile wird auf die zuvor erläuterten Ausführungsformen verwiesen.With regard to further properties and features of the embodiment of 4th and its advantages, reference is made to the embodiments explained above.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen kann die zumindest eine Dämpfungselektrode 22a bis 22d zusammen mit dem mindestens einen sensitiven Element 10, 10a und 10b und evtl. der zumindest einen Sensorelektrode 20 und/oder der zumindest einen Antriebselektrode 26 aus einer (einzigen) Halbleiterschicht/Siliziumschicht, welche auf mindestens einer die Substratoberfläche des Substrats 12 zumindest teilweise abdeckenden Isolierschicht abgeschieden ist, herausstrukturiert sein/werden. Das Substrat 12 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, sein. Das Ausbilden der zumindest einen Dämpfungselektrode 22a bis 22d an dem mikromechanischen Bauteil erhöht somit einen Arbeitsaufwand bei der Herstellung des mikromechanischen Bauteils nicht/kaum. Die mindestens eine Leiterbahn 30a und 30b und die mindestens eine mäanderförmige Bahn 32a und 32b können aus einer optionalen Halbleiter- und/oder Metallschicht, welche zwischen der Substratoberfläche des Substrats 12 und der Halbleiterschicht in die mindestens eine Isolierschicht „eingebettet“ ist, herausstrukturiert sein/werden.In all of the embodiments described above, the at least one damping electrode 22a until 22d together with the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b and possibly the at least one sensor electrode 20th and / or the at least one drive electrode 26th from a (single) semiconductor layer / silicon layer, which on at least one of the substrate surface of the substrate 12th at least partially covering insulating layer is deposited, be structured out. The substrate 12th can for example be a semiconductor substrate, in particular a silicon substrate. The formation of the at least one damping electrode 22a until 22d on the micromechanical component thus does not / hardly increase the amount of work involved in the production of the micromechanical component. The at least one conductor track 30a and 30b and the at least one meandering path 32a and 32b can consist of an optional semiconductor and / or metal layer, which is between the substrate surface of the substrate 12th and the semiconductor layer in which at least one insulating layer is “embedded”, be / will be structured out.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. 5 shows a schematic representation of a fifth embodiment of the micromechanical component.
Bei dem mikromechanischen Bauteil der 5 bewirkt eine Beschleunigung des mikromechanischen Bauteils mit einer senkrecht zu einer Substratoberfläche 12a seines Substrats 12 ausgerichteten Beschleunigungskomponente ungleich Null eine Bewegung seines als seismische Masse 10 ausgebildeten (einzigen) sensitiven Elements 10 entlang einer senkrecht zu der Substratoberfläche 12a ausgerichteten Raumachse 34. Diese Bewegung des sensitiven Elements 10 entlang der Raumachse 34 kann insbesondere mittels mindestens einer (nicht skizzierten) Sensorelektrode 20, welche z.B. zwischen dem Substrat 12 und dem sensitiven Element 10 und/oder auf einer von dem Substrat 12 weg gerichteten Seite des sensitiven Elements 10 angeordnet sein kann, detektiert werden.The micromechanical component of the 5 causes an acceleration of the micromechanical component with a perpendicular to a substrate surface 12a of its substrate 12th aligned acceleration component not equal to zero a movement of its as seismic mass 10 trained (single) sensitive element 10 along one perpendicular to the substrate surface 12a aligned spatial axis 34 . This movement of the sensitive element 10 along the spatial axis 34 can in particular by means of at least one (not shown) sensor electrode 20th which, for example, between the substrate 12th and the sensitive element 10 and / or on one of the substrate 12th away side of the sensitive element 10 can be arranged to be detected.
Zur Dämpfung der Bewegung des sensitiven Elements 10 entlang der Raumachse 34, insbesondere um ein Anstoßen des sensitiven Elements 10, ein unerwünschtes Nachschwingen/„Pendelschwingen“ des sensitiven Elements 10 als Reaktion auf seine Auslenkung aus seiner Ruhelage/Ruheposition und/oder Resonanzschwingungen des sensitiven Elements 10 zu verhindern, ist eine Dämpfungselektroden 22 zwischen dem Substrat 12 und dem sensitiven Element 10 angeordnet. Außerdem kann eine als elektrischer Widerstand R genutzte mäanderförmige Bahn 32 innerhalb eines Volumens zwischen dem Substrat 12 und der Dämpfungselektroden 22 ausgebildet sein. Dies erleichtert eine Miniaturisierung des mikromechanischen Bauteils. Vorzugsweise ist die mäanderförmige Bahn 32 mittels einer ersten Isolierschicht 36a von der Substratoberfläche 12a elektrisch isoliert, während zwischen der mäanderförmigen Bahn 32 und der Dämpfungselektroden 22 eine zweite Isolierschicht 36b liegt. Eine elektrische Anbindung der Dämpfungselektroden 22 an die mäanderförmige Bahn 32 ist mittels mindestens eines durch die zweite Isolierschicht 36b verlaufenden Vias 38 möglich. Das Substrat 12 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, sein.To dampen the movement of the sensitive element 10 along the spatial axis 34 , in particular about bumping into the sensitive element 10 , an unwanted oscillation / "pendulum oscillation" of the sensitive element 10 as a reaction to its deflection from its rest position / rest position and / or resonance vibrations of the sensitive element 10 to prevent is a damping electrode 22nd between the substrate 12th and the sensitive element 10 arranged. In addition, a meander-shaped path used as an electrical resistor R. 32 within a volume between the substrate 12th and the damping electrodes 22nd be trained. This facilitates miniaturization of the micromechanical component. The meandering path is preferred 32 by means of a first insulating layer 36a from the substrate surface 12a electrically isolated while between the meandering path 32 and the damping electrodes 22nd a second layer of insulation 36b lies. An electrical connection of the damping electrodes 22nd to the meandering path 32 is by means of at least one through the second insulating layer 36b running vias 38 possible. The substrate 12th can for example be a semiconductor substrate, in particular a silicon substrate.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen bilden die zumindest eine Dämpfungselektrode 22, 22a bis 22d und der mindestens eine elektrische Widerstand R, Ra und Rb als „passive Dämpfungselemente“ zumindest einen Kondensator, wobei, sofern sich die jeweilige (Gesamt-) Kapazität C(x) des zumindest einen Kondensators bei konstant anliegender Spannung V ändert, ein Ladungsfluss als Verluststrom I auftritt. Der Verluststrom I erzeugt eine Verlustleistung, welche einer aktuellen kinetischen Energie des zumindest einen sensitiven Elements 10, 10a und 10b entnommen wird, und auf diese Weise eine Dämpfung einer aktuellen Bewegung oder eines Bewegungsmusters des zumindest einen sensitiven Elements 10, 10a und 10b bewirkt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Dämpfung mittels eines Luft-Gas-Gemisches in einer Umgebung des zumindest einen sensitiven Elements 10, 10a und 10b, bei welcher der Druck des Luft-Gas-Gemisches von einer Temperatur des Luft-Gas-Gemisches abhängt, ermöglichen die zumindest eine Dämpfungselektrode 22, 22a bis 22d und der mindestens eine elektrische Widerstand R, Ra und Rb eine temperaturunabhängige Dämpfung. Ein besonderer Vorteil der mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22, 22a bis 22d und dem mindestens einen elektrischen Widerstand R, Ra und Rb bewirkten Dämpfung besteht darin, dass das zumindest eine sensitive Element 10, 10a und 10b in einer Umgebung mit (nahezu) Vakuum vorliegen kann, so dass herkömmliche Probleme beim Einstellen eines relativ hohen Innendrucks des Luft-Gas-Gemisches in der Umgebung des zumindest einen sensitiven Elements 10, 10a und 10b während eines Herstellungsprozesses des jeweiligen mikromechanischen Bauteils entfallen.In all of the embodiments described above, they form at least one damping electrode 22nd , 22a until 22d and the at least one electrical resistance R, Ra and Rb as “passive damping elements” at least one capacitor, with a charge flow as a leakage current, provided that the respective (total) capacitance C (x) of the at least one capacitor changes with the voltage V applied constantly I occurs. The leakage current I generates a power loss that corresponds to a current kinetic energy of the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b is taken, and in this way a damping of a current movement or a movement pattern of the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b causes. In contrast to conventional damping by means of an air-gas mixture in the vicinity of the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b , at which the pressure of the air-gas mixture depends on a temperature of the air-gas mixture, enable at least one damping electrode 22nd , 22a until 22d and the at least one electrical resistance R, Ra and Rb a temperature-independent damping. A particular advantage of the at least one damping electrode 22nd , 22a until 22d and the at least one electrical resistance R, Ra and Rb caused attenuation is that the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b can exist in an environment with (almost) vacuum, so that conventional problems when setting a relatively high internal pressure of the air-gas mixture in the environment of the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b are omitted during a manufacturing process of the respective micromechanical component.
Die mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22, 22a bis 22d und dem mindestens einen elektrischen Widerstand R, Ra und Rb bewirkte Dämpfung kann für eine Vielzahl von verschiedenen Typen von Sensorvorrichtungen genutzt werden. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise einen Inertialsensor, wie insbesondere einen Beschleunigungssensor (selbst einen dreiachsigen Beschleunigungssensor) und/oder einen Drehratensensor, und/oder einen Drucksensor (z.B. mit einem als Membran ausgebildeten sensitiven Element) umfassen. Da die mittels der zumindest einen Dämpfungselektrode 22, 22a bis 22d und dem mindestens einen elektrischen Widerstand R, Ra und Rb bewirkte Dämpfung auch bei einer Umgebung des zumindest einen sensitiven Elements 10, 10a und 10b mit (nahezu) Vakuum nutzbar ist, erleichtert sie eine Integration mehrere Sensortypen in ein gemeinsames Volumen. Herkömmlicherweise ist es häufig nicht möglich, zumindest eine seismische Masse eines Drehratensensors mit zumindest einer weiteren seismischen Masse eines Beschleunigungssensors in ein gemeinsames Innenvolumen zu integrieren, weil ein verlässlicher Betrieb des mindestens einen Drehratensensors in der Regel einen geringen Innendruck in dem Volumen erfordert, während ein verlässlicher Betrieb des Beschleunigungssensors herkömmlicher Weise zur Dämpfung seiner zumindest einen seismischen Masse einen vergleichsweise hohen Innendruck in dem Volumen benötigt.By means of the at least one damping electrode 22nd , 22a until 22d and damping caused by the at least one electrical resistance R, Ra and Rb can be used for a variety of different types of sensor devices. The sensor device can, for example, comprise an inertial sensor, such as in particular an acceleration sensor (itself a three-axis acceleration sensor) and / or a rotation rate sensor and / or a pressure sensor (for example with a sensitive element designed as a membrane). Since the means of the at least one damping electrode 22nd , 22a until 22d and the at least one electrical resistance R, Ra and Rb brought about attenuation even in the vicinity of the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b can be used with (almost) vacuum, it facilitates the integration of several sensor types in a common volume. Conventionally, it is often not possible to integrate at least one seismic mass of a rotation rate sensor with at least one further seismic mass of an acceleration sensor in a common internal volume, because reliable operation of the at least one rotation rate sensor usually requires a low internal pressure in the volume, while a reliable one Operation of the acceleration sensor in a conventional manner for damping its at least one seismic mass requires a comparatively high internal pressure in the volume.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen kann die zumindest eine Dämpfungselektrode 22, 22a bis 22d wahlweise eine Plattenelektrode oder eine Kammelektrode sein. Sofern bereits kleine unerwünschte Auslenkungen des zumindest einen sensitiven Elements 10, 10a und 10b gedämpft werden sollen, ist eine Verwendung jeweils einer Plattenelektrode als die zumindest eine Dämpfungselektrode 22, 22a bis 22d günstig. Demgegenüber ist jeweils eine Kammelektroden als die zumindest eine Dämpfungselektrode 22, 22a bis 22d vorteilhaft, um große unerwünschte Auslenkungen des zumindest einen sensitiven Elements 10, 10a und 10b zu unterbinden.In the embodiments described above, the at least one damping electrode 22nd , 22a until 22d either a plate electrode or a comb electrode. If there are already small undesirable deflections of the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b are to be attenuated is a use in each case of a plate electrode as the at least one damping electrode 22nd , 22a until 22d cheap. In contrast, there is one comb electrode in each case as the at least one damping electrode 22nd , 22a until 22d advantageous in order to avoid large undesirable deflections of the at least one sensitive element 10 , 10a and 10b to prevent.
6 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Sensorvorrichtung. 6th FIG. 3 shows a flow chart for explaining an embodiment of the method for operating a sensor device.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann mit jeder Sensorvorrichtung ausgeführt werden, deren mikromechanisches Bauteil eine Halterung und zumindest ein sensitives Element umfasst, welches derart an und/oder in der Halterung angeordnet ist, dass das sensitive Element mittels einer auf das mikromechanische Bauteil wirkenden Kraft verformbar oder in Bezug zu der Halterung verstellbar ist.The method described below can be carried out with any sensor device whose micromechanical component comprises a holder and at least one sensitive element which is arranged on and / or in the holder in such a way that the sensitive element is deformable or deformable by means of a force acting on the micromechanical component is adjustable in relation to the bracket.
Als Verfahrensschritt S1 des Verfahrens wird eine Spannung zumindest an einen Kondensator aus einer an und/oder in der Halterung angeordneten Dämpfungselektrode und zumindest einer zu der Dämpfungselektrode ausgerichteten Oberfläche des sensitiven Elements mit einem an dem Kondensator angebundenen elektrischen Widerstand derart angelegt, dass eine Verformung des sensitiven Elements oder eine Verstellbewegung des sensitiven Elements in Bezug zu der Dämpfungselektrode einen Verluststrom auslöst. Als Spannung kann insbesondere ein zeitlich konstantes Spannungssignal an den Kondensator angelegt werden.As a procedural step S1 of the method, a voltage is applied to at least one capacitor made up of a damping electrode arranged on and / or in the holder and at least one surface of the sensitive element aligned with the damping electrode with an electrical resistor connected to the capacitor in such a way that a deformation of the sensitive element or a Adjusting movement of the sensitive element in relation to the damping electrode triggers a leakage current. In particular, a temporally constant voltage signal can be applied to the capacitor as the voltage.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann das Verfahren noch einen Verfahrensschritt S0 umfassen, in welchem eine vorherrschende Temperatur bestimmt wird. Die in dem Verfahrensschritt S1 angelegte Spannung kann in diesem Fall abhängig von der bestimmten Temperatur festgelegt werden, insbesondere um temperaturabhängige Änderungen des elektrischen Widerstands und/oder um temperaturbedingte Druckänderung eines Luft-Gas-Gemisches in einer Umgebung des zumindest einen sensitiven Elements zu kompensieren/auszugleichen. Alternativ kann auch eine variable Dämpfung kann über die angelegte Spannung bewirkt werden, indem die angelegte Spannung über einen bestimmten Spannungsbereich variiert wird.As an advantageous further development, the method can also have a method step S0 include, in which a prevailing temperature is determined. The in the process step S1 Applied voltage can in this case be determined as a function of the specific temperature, in particular to compensate / compensate for temperature-dependent changes in the electrical resistance and / or for temperature-dependent pressure changes of an air-gas mixture in the vicinity of the at least one sensitive element. Alternatively, variable damping can also be brought about via the applied voltage by varying the applied voltage over a specific voltage range.
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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DE 102017220412 A1 [0002]DE 102017220412 A1 [0002]
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DE 102017210598 A1 [0002]DE 102017210598 A1 [0002]