DE102017217975A1 - Mikromechanische Federstruktur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Federstruktur mit einem Federbalken (100) und einer starren mikromechanischen Struktur (200), wobei der Federbalken (100) entlang einer Haupterstreckungsrichtung (110) ein erstes Ende (120) und ein gegenüberliegendes zweites Ende (130) aufweist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Federbalken (100) wenigstens an einem der beiden Enden (120, 130) eine Gabelung (140) mit zwei Stützarmen (141, 142) aufweist, welche an der starren mikromechanischen Struktur (200) verankert ist, wobei die zwei Stützarme (141, 142) an einer Oberfläche (210) der starren mikromechanischen Struktur (200) verankert sind, welche sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (110) des Federbalkens (100) erstreckt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur, wobei der Federbalken entlang einer Haupterstreckungsrichtung ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende aufweist.
  • Mikromechanische Drehratensensoren enthalten eine oder mehrere Federstrukturen für die Bewegung der Antriebsschwingung. Die Federstrukturen sind in der Regel mit dem Substratanker verbunden. Weitere Federn im Drehratensensor verbinden mehrere Massen miteinander. Die Verbindung der Federstrukturen mit dem jeweiligen Element ist direkt und kann dadurch laterale Zugkräfte übertragen. Laterale Zugkräfte in Federstrukturen sind die Ursache von mechanischer Nichtlinearität bei Betrieb des Sensors. Bisher bekannte Maßnahmen sehen die Optimierung von Federstrukturen vor, um mechanische Nichtlinearitäten zu reduzieren. In DE102013208699A1 , US6571629B und US2016138667A werden solche optimierten Federstrukturen für mikromechanische Sensoren beschrieben. Modifizierte Substratanker oder auch modifizierte Anbindung an Massestrukturen, um die Federstrukturen zu entlasten und die mechanische Nichtlinearität zu reduzieren, sind bisher nicht bekannt.
  • Aufgabe
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung eine robuste mikromechanische Federstruktur mit reduzierter mechanischer Nichtlinearität zu schaffen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur, wobei der Federbalken entlang einer Haupterstreckungsrichtung ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende aufweist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Federbalken wenigstens an einem der beiden Enden eine Gabelung mit zwei Stützarmen aufweist, welche an der starren mikromechanischen Struktur verankert ist, wobei die zwei Stützarme an einer Oberfläche der starren mikromechanischen Struktur verankert sind, welche sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Federbalkens erstreckt. Vorteilhaft werden durch die Gabel und die dadurch gebildete Rahmenstruktur Zug- und Druckverspannungen, welche bei direkter Aufhängung auftreten, reduziert.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die starre mikromechanische Struktur ein Substratanker ist. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die starre mikromechanische Struktur eine bewegliche Struktur, insbesondere eine seismische Masse ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Gabelung einen rechteckigen Rahmen bildet. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Gabelung einen halbrunden oder elliptischen Rahmen bildet.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine erste mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur im Stand der Technik.
    • 2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur in einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • 3 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    • 4 zeigt eine zweite mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur im Stand der Technik.
    • 5 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur in einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Beschreibung
  • 1 zeigt eine erste mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur im Stand der Technik. Der Federbalken 100 weist entlang einer Haupterstreckungsrichtung 110 ein erstes Ende 120 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 130 auf. Der Federbalken 100 ist mit seinem ersten Ende 120 an einer Oberfläche 210 der starren mikromechanischen Struktur 200 verankert. Die Oberfläche 210 erstreckt sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 110 des Federbalkens. Das zweite Ende 130 des Federbalkens 100 ist in einer Richtung 300 auslenkbar, welche sich parallel zur Oberfläche 210 erstreckt. Der Federbalken 100 verbiegt sich dabei. Bei der gezeigten Vorrichtung handelt es sich um eine mikromechanische Struktur über der Oberfläche eines Substrats. Die starre mikromechanische Struktur 200 ist als Substratanker ausgestaltet und deformiert sich im Wesentlichen nicht.
  • 2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur in einem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Federstruktur im Stand der Technik weist der Federbalken 100 an dem ersten Ende 120 eine Gabelung 140 mit zwei Stützarmen 141, 142 auf, welche an der starren mikromechanischen Struktur 200 verankert ist. Dabei sind die zwei Stützarme 141, 142 an der Oberfläche 210 der starren mikromechanischen Struktur 200 verankert, welche sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 110 des Federbalkens 100 erstreckt.
  • Die starre mikromechanische Struktur 200 kann ein Substratanker sein. Die starre mikromechanische Struktur 200 kann auch eine bewegliche Struktur, insbesondere eine seismische Masse sein. Eine Gabelung 140 kann nicht nur am ersten Ende sondern zusätzlich oder alternativ auch am zweiten Ende des Federbalkens angeordnet sein.
  • Die Gabelung gemäß 2 bildet einen Rahmen oder eine Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur wird zwischen Substratanker und Federstruktur oder auch zwischen Federstruktur und Massestruktur in einem mikromechanischen Sensor eingesetzt. Im Beispiel der 2 ist die Rahmenstruktur zwischen dem Substratanker und der Federstruktur eingebracht. Die Gabel 140 bildet einen rechteckigen Rahmen. Seitenlängen und Breiten des Rahmens sind entsprechend einzustellen um die Nichtlinearität optimal zu reduzieren. Durch den Rahmen werden laterale Zugkräfte ausgeglichen, indem der Rahmen durchbiegt. Die Durchbiegung ist klein im Verhältnis zur Auslenkung der Federstruktur. Die Rahmenstruktur kann so dimensioniert werden, dass ein entsprechendes Maß an Nichtlinearität reduziert wird. Bei einer Rahmengröße von 10×20 µm2 wird beispielsweise die Nichtlinearität bei einem beidseitig eingespannten Balken von 800 µm Länge um mehr als 50% reduziert. Hierbei handelt es sich um Simulationsergebnisse. Die erste Eigenmode des Rahmens liegt bei dem 100-fachen der Grundschwingung.
  • 3 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Alternativ zum ersten Ausführungsbeispiel bildet die Gabelung 140 einen halbrunden oder elliptischen Rahmen.
  • 4 zeigt eine zweite mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur im Stand der Technik. Der Federbalken 100 weist entlang einer Haupterstreckungsrichtung 110 ein erstes Ende 120 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 130 auf. Der Federbalken 100 ist mit seinem ersten Ende 120 an einer Oberfläche 210 der starren mikromechanischen Struktur 200 verankert, welche als bewegliche Struktur ausgestaltet ist. Die Oberfläche 210 erstreckt sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 110 des Federbalkens. Das erste Ende 120 des Federbalkens 100 ist zusammen mit der starren mikromechanischen Struktur 200 in einer Richtung 300 auslenkbar, welche sich parallel zur Oberfläche 210 erstreckt. Der Federbalken 100 verbiegt sich dabei. Die starre mikromechanische Struktur 200 ist als seismische Masse ausgestaltet und deformiert sich im Wesentlichen nicht. Das zweite Ende 130 des Federbalkens 100 ist mit einem Aufhängebalken 400 verbunden. Der Aufhängebalken 400 deformiert sich im Wesentlichen nicht. Der Aufhängebalken 400 ist wiederum mit einem Ende eines weiteren Federbalkens 410 verbunden. Der weitere Federbalken 410 ist mit einem anderen, gegenüberliegenden Ende mit einem Substratanker 420 verbunden. Der weitere Federbalken 410 verläuft parallel zum Federbalken 100. Dieser Aufbau ist spiegelbildlich an der eingezeichneten Symmetrieachse (Strich Punkt Linie) parallel zur Haupterstreckungsrichtung 110 des Federbalkens 100 wiederholt. Die Struktur wird im Folgenden als zweifach gefaltete Balkenaufhängung DFBS (engl. double-folded beam structure) bezeichnet.
  • 5 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken und einer starren mikromechanischen Struktur in einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Federstruktur im Stand der Technik weist der Federbalken 100 an dem ersten Ende 120 eine Gabelung 140 mit zwei Stützarmen 141, 142 auf, weist, welche an der starren mikromechanischen Struktur 200 verankert ist. Dabei sind die zwei Stützarme 141, 142 an der Oberfläche 210 der starren mikromechanischen Struktur 200 verankert, welche sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 110 des Federbalkens 100 erstreckt.
  • Die Gabelung 140 gemäß 5 bildet einen Rahmen oder eine Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur ist zwischen Masse-Element und Federstruktur angeordnet. Für eine Abmessung der DFBS von 180×150 µm2 und eine Rahmengröße von 10×20 µm2 ergibt sich eine Reduktion der Nichtlinearität von 30%. Hierbei handelt es sich um Simulationsergebnisse.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Rahmen in einem gewissen Abstand von den Stützarmen 141, 142 von der festen mikromechanischen Struktur 200 ausgefüllt oder der Rahmen ist in Ausnehmungen in der festen mikromechanischen Struktur 200 versenkt. Dies dient dazu den vorhandenen Bauraum bestmöglich zu nutzen indem die Ausdehnung und damit die Masse der festen mikromechanischen Struktur 200 erhöht wird, ohne dabei die Funktion der Gabelung 140 zu beeinträchtigen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Federbalken
    110
    Haupterstreckungsrichtung
    120
    erstes Ende
    130
    zweites Ende
    140
    Gabelung
    141
    erster Stützarm
    142
    zweiter Stützarm
    200
    starre mikromechanische Struktur
    210
    Oberfläche der starren mikromechanischen Struktur
    300
    Richtung einer Auslenkung
    400
    Aufhängebalken
    410
    weiterer Federbalken
    420
    Substratanker
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013208699 A1 [0002]
    • US 6571629 B [0002]
    • US 2016138667 A [0002]

Claims (5)

  1. Mikromechanische Federstruktur mit einem Federbalken (100) und einer starren mikromechanischen Struktur (200), wobei der Federbalken (100) entlang einer Haupterstreckungsrichtung (110) ein erstes Ende (120) und ein gegenüberliegendes zweites Ende (130) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Federbalken (100) wenigstens an einem der beiden Enden (120, 130) eine Gabelung (140) mit zwei Stützarmen (141, 142) aufweist, welche an der starren mikromechanischen Struktur (200) verankert ist, wobei die zwei Stützarme (141, 142) an einer Oberfläche (210) der starren mikromechanischen Struktur (200) verankert sind, welche sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (110) des Federbalkens (100) erstreckt.
  2. Mikromechanische Federstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die starre mikromechanische Struktur (200) ein Substratanker ist.
  3. Mikromechanische Federstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die starre mikromechanische Struktur (200) eine bewegliche Struktur, insbesondere eine seismische Masse ist.
  4. Mikromechanische Federstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gabelung (140) einen rechteckigen Rahmen bildet.
  5. Mikromechanische Federstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gabelung (140) einen halbrunden oder elliptischen Rahmen bildet.
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