DE102022209079A1

DE102022209079A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102022209079A1
Application number: DE102022209079.9A
Authority: DE
Inventors: Cristian Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2024-03-07
Also published as: US20240077512A1; CN117630413A

Abstract

Eine Sensoranordnung (1) weist ein Substrat (2), eine seismische Masse (5) und eine zwischen dem Substrat (2) und der seismischen Masse (5) angeordnete Funktionsschicht (14) auf. Die seismische Masse (5) ist derart mit dem Substrat (2) verbunden, dass die seismische Masse (5) zumindest entlang einer senkrecht zum Substrat (2) verlaufenden ersten Richtung auslenkbar ist. Innerhalb der Funktionsschicht (14) und zwischen der seismischen Masse (5) und dem Substrat (2) ist zumindest ein federnd ausgebildeter und entlang der ersten Richtung auslenkbarer Anschlag (16) ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung.
Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit einer Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (z-Richtung) werden vorzugsweise Wippen genutzt. Das Sensorprinzip dieser Beschleunigungssensoren basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem eine bewegliche seismische Masse beispielsweise mit zwei auf dem Substrat fixierten sowie zwei in der Wippenstruktur stehenden Gegenelektroden Plattenkondensatoren bildet. Die seismische Masse ist über mindestens ein Federelement mit dem Wafer verbunden und um eine Drehachse auslenkbar gelagert. Durch eine asymmetrische Massenverteilung der Wippe bezüglich der Drehachse erfolgt beim Einwirken einer Beschleunigung entlang der z-Richtung eine Rotation der Wippe um die Drehachse herum. Damit wird ein Abstand zwischen der Wippe und den Gegenelektroden auf der Seite mit der größeren Masse kleiner und auf der Seite mit der kleineren Masse größer. Die dadurch bewirkte Kapazitätsänderung der Plattenkondensatoren ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung.
Solche Beschleunigungssensoren können bei erhöhten Beschleunigungen und durch hohe Aufprallenergien beschädigt werden. Hierbei kann neben mechanischen Defekten, wie beispielsweise dem Auftreten von Brüchen und Bruchteilen und/oder Bruchpartikeln, auch vermehrt ein Anhaften der Wippe am Wafer auftreten, wodurch ein Betrieb des Beschleunigungssensors behindert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Sensoranordnung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Sensoranordnung weist ein Substrat, eine seismische Masse und eine zwischen dem Substrat und der seismischen Masse angeordnete Funktionsschicht auf. Die seismische Masse ist derart mit dem Substrat verbunden, dass die seismische Masse zumindest entlang einer senkrecht zum Substrat verlaufenden ersten Richtung auslenkbar ist. Innerhalb der Funktionsschicht und zwischen der seismischen Masse und dem Substrat ist zumindest ein federnd ausgebildeter und entlang der ersten Richtung auslenkbarer Anschlag ausgebildet.
Vorteilhafterweise können erhöhte Beschleunigungen und hohe Aufprallenergien der seismischen Masse durch den federnden Anschlag gedämpft und reduziert werden. Wird die seismische Masse derart in Richtung des Substrats beschleunigt, dass sie bis an den federnden Anschlag ausgelenkt wird, so erfolgt eine Kraftübertragung auf den federnden Anschlag, wodurch dieser ausgelenkt wird und die Energie der Bewegung der seismischen Masse aufnimmt. Dadurch kann eine Beschädigung der Sensoranordnung und/oder ein Haften der seismischen Masse am Substrat vermieden werden. Die Konstruktion des federnden Anschlags ist im Vergleich zu bisherigen Lösungen besonders klein und ermöglicht eine höhere Performance bei gleicher Baugröße.
Der federnde Anschlag ist innerhalb der Funktionsschicht ausgebildet. Anders ausgedrückt ist die Funktionsschicht im Bereich des federnden Anschlags freigelegt worden und dadurch freistehend und flexibel ausgebildet und ist entlang der ersten Richtung auslenkbar. Der federnde Anschlag kann vorteilhafterweise unterschiedlich steif ausgebildet sein, um verschiedene Beschleunigungen der seismischen Masse abfedern zu können.
In einer Ausführungsform ist auf einer Unterseite der seismischen Masse eine Zwischenschicht angeordnet. Die Funktionsschicht ist auf einer dem Substrat zugewandten Seite der Zwischenschicht angeordnet. Die Funktionsschicht ist im Bereich des federnden Anschlags freistehend ausgebildet. Anders gesagt ist die Zwischenschicht derart strukturiert, dass sie im Bereich des federnden Anschlags entfernt wurde, wodurch der federnde Anschlag freistehend und flexibel ist. Die Funktionsschicht ist in dieser Ausführungsform fest mit der seismischen Masse verbunden und bewegt sich im Fall einer Beschleunigung der seismischen Masse mit der seismischen Masse mit. Die Verbindung der Funktionsschicht mit der seismischen Masse wird durch die Zwischenschicht gewährleistet. Die Zwischenschicht kann beispielsweise ein Oxid aufweisen. Es ist jedoch nicht notwendigerweise erforderlich, dass die Funktionsschicht mit der seismischen Masse verbunden ist.
In einer alternativen Ausführungsform ist auf einer Oberseite des Substrats eine Zwischenschicht angeordnet. Die Funktionsschicht ist auf einer vom Substrat abgewandten Oberseite der Zwischenschicht angeordnet. Die Funktionsschicht ist im Bereich des federnden Anschlags freistehend ausgebildet. In diesem Fall ist die Funktionsschicht also fest mit dem Substrat verbunden und bewegt sich im Fall einer Beschleunigung der seismischen Masse nicht mit ihr mit.
In einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist die seismische Masse als eine Wippe ausgebildet. Die Wippe ist über zumindest ein Federelement derart mit dem Substrat verbunden, dass die Wippe um eine parallel zum Substrat verlaufende Drehachse auslenkbar gelagert ist. Die Wippe weist auf einer Seite der Drehachse einen Rahmen auf. Auf einer dem Rahmen gegenüberliegenden Seite der Drehachse weist die Wippe ein Massenelement auf, wodurch die Wippe eine bezüglich der Drehachse asymmetrische Massenverteilung aufweist. Die seismische Masse muss jedoch nicht zwingenderweise als eine Wippe ausgebildet sein. Es ist lediglich erforderlich, dass die seismische Masse entlang der ersten Richtung auslenkbar gelagert ist. Aus diesem Grund kann die Sensoranordnung auch anders ausgebildet sein und nicht auf einem Wippenprinzip beruhen. Beispielsweise kann es bei einer einfachen Variante genügen, wenn die seismische Masse als eine entlang der ersten Richtung auslenkbare Balkenfeder ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform ist der federnde Anschlag in einem parallel zur Drehachse verlaufenden Randbereich der Wippe angeordnet. Bei bisher bekannten Sensoranordnungen ohne einen federnden Anschlag ist es der Randbereich der Wippe, der an das Substrat anschlagen kann, wenn hohe oder plötzliche starke Beschleunigungen wirken. Vorteilhafterweise kann der federnde Anschlag die Wippe durch die Anordnung im Randbereich der Wippe effizienter abfedern, als wenn der federnde Anschlag beispielsweise in einem Mittenbereich der Wippe angeordnet wäre.
In einer Ausführungsform ist der federnde Anschlag im Bereich des Rahmens der Wippe angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird dadurch insbesondere der Rahmen der Wippe geschützt, der fragiler ausgebildet sein kann als das Masseelement der Wippe. Der federnde Anschlag kann in einer anderen Ausführungsform jedoch auch im Bereich des Masseelements angeordnet sein. Im Bereich des Masseelements wirken höhere Kräfte als im Bereich des Rahmens. Die Anordnung des federnden Anschlags im Bereich des Masseelements bietet daher den Vorteil, dass besonders hohe Krafteinwirkungen auf die Sensoranordnung reduziert und vermieden werden können. Bei einer anderen Variante ist sowohl ein federnder Anschlag im Bereich des Rahmens, als auch ein federnder Anschlag im Bereich des Masselelements angeordnet, wodurch die Wippe beidseitig der Drehachse abgefedert werden kann.
Ist der federnde Anschlag im Bereich des Rahmens angeordnet, so kann in einer Ausführungsform der Rahmen im Bereich über dem federnden Anschlag eine parallel zum Substrat bemessene erste Dicke und eine in Bereichen außerhalb des federnden Anschlags parallel zum Substrat bemessene zweite Dicke aufweisen. Die erste Dicke ist größer als die zweite Dicke. Vorteilhafterweise weist der Rahmen dadurch im Bereich des federnden Anschlags eine erhöhte Robustheit auf.
In einer Ausführungsform ist auf einer dem federnden Anschlag zugewandten Unterseite der seismischen Masse und über dem federnden Anschlag eine erste Anschlagsnoppe angeordnet. Vorteilhafterweise kann eine maximale Auslenkung der seismischen Masse entlang der ersten Richtung durch die erste Anschlagsnoppe reduziert werden. Im Wesentlichen wird die maximale Auslenkung der seismischen Masse um eine Dicke der ersten Anschlagsnoppe reduziert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die seismische Masse nicht unmittelbar am federnden Anschlag anschlagen kann, da lediglich die erste Anschlagsnoppe mit dem federnden Anschlag in direkten Kontakt kommen kann, wodurch die seismische Masse zusätzlich geschützt werden kann. Beispielsweise kann eine besonders weiche erste Anschlagsnoppe verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist auf einer dem Substrat zugewandten Unterseite des federnden Anschlags eine zweite Anschlagsnoppe angeordnet. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Robustheit des federnden Anschlags verbessert, indem eine maximale Auslenkung des federnden Anschlags beschränkt wird, nämlich im Wesentlichen um eine Dicke der zweiten Anschlagsnoppe. Dadurch wird eine maximal mögliche Verspannung des federnden Anschlags reduziert, wodurch eine Überlastung des federnden Anschlags vermieden werden kann. Zusätzlich kann die zweite Anschlagsnoppe besonders weich ausgebildet sein, um eine noch schonendere Federung der seismischen Masse zu gewährleisten.
In einer anderen Ausführungsform ist auf einer der seismischen Masse zugewandten Oberseite des federnden Anschlags eine dritte Anschlagsnoppe angeordnet. Die dritte Anschlagsnoppe stellt eine Alternative der ersten Anschlagsnoppe dar. In einer weiteren Ausführungsform ist auf einer dem federnden Anschlag zugewandten Oberseite des Substrats eine vierte Anschlagsnoppe angeordnet. Die vierte Anschlagsnoppe stellt eine Alternative der zweiten Anschlagsnoppe dar.
Durch einen geringen Flächenbedarf ist es weiterhin möglich eine Kaskade von federnden Anschlägen mit jeweils unterschiedlicher Steifigkeit zu realisieren, wobei jede Kaskadenstufe einen wirksamen Beschleunigungsbereich abdeckt. In einer Ausführungsform weist die Sensoranordnung zumindest einen weiteren innerhalb der Funktionsschicht ausgebildeten federnden Anschlag auf. Der federnde Anschlag und der weitere federnde Anschlag bilden eine erste Kaskade von federnden Anschlägen.
In einer Ausführungsform weist die Sensoranordnung eine zusätzliche zwischen dem Substrat und der seismischen Masse angeordnete Funktionsschicht auf. Innerhalb der zusätzlichen Funktionsschicht ist zumindest ein zusätzlicher federnder Anschlag ausgebildet. Der federnde Anschlag und der zusätzliche federnde Anschlag sind übereinander angeordnet und bilden eine zweite Kaskade von federnden Anschlägen.
Die Sensoranordnung wird im Folgenden im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:

1: eine Sensoranordnung in einer perspektivischen Ansicht,
2: die Sensoranordnung der 1 in Draufsichten und in Schnittansichten,
3 eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform in Draufsichten und in einer Schnittansicht,
4 eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht und in einer Schnittansicht und
5 eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Schnittansicht.

1 zeigt schematisch eine Sensoranordnung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Die Sensoranordnung 1 ist als Beschleunigungssensor ausgebildet. Die Sensoranordnung 1 kann auch als mikroelektromechanisches (MEMS) Bauelement bezeichnet werden.
Die Sensoranordnung 1 weist ein Substrat 2 mit einer Oberseite 3 und einer der Oberseite 3 gegenüberliegenden Unterseite 4 auf. Eine senkrecht zum Substrat 2 verlaufende erste Richtung soll als z-Richtung bezeichnet werden. Das Substrat 2 erstreckt sich innerhalb einer senkrecht zur z-Richtung verlaufenden xy-Ebene. Das Substrat 2 weist beispielhaft Silizium auf. Das Substrat 2 kann beispielsweise als ein Siliziumwafer ausgebildet sein. Das Substrat 2 kann jedoch auch ein anderes Material oder eine Materialkombination aufweisen.
Die Sensoranordnung 1 weist ferner eine seismische Masse 5 auf, die über der Oberseite 3 des Substrats 2 angeordnet ist. Die seismische Masse 5 weist beispielhaft Silizium auf. Das Silizium der seismischen Masse 5 kann beispielsweise durch ein epitaktisches Wachstum über dem Substrat 2 abgeschieden werden. Durch verschiedenste Methoden der Strukturierung kann die seismische Masse 5 gebildet werden. Die seismische Masse 5 kann auch durch eine Mehrzahl von Schichten gebildet werden. Neben Silizium können auch andere Materialien zum Erzeugen der seismischen Masse 5 verwendet werden.
Die seismische Masse 5 ist derart mit dem Substrat 2 verbunden, dass die seismische Masse 5 zumindest entlang der z-Richtung auslenkbar ist. In der beispielhaften Darstellung ist die seismische Masse 5 als eine Wippe 5 ausgebildet. Die Wippe 5 ist über zwei Federelemente 6 derart mit dem Substrat 2 verbunden, dass die Wippe 5 um eine parallel zum Substrat 2 verlaufende Drehachse 7 auslenkbar gelagert ist. Die Drehachse 7 verläuft dabei parallel zu einer senkrecht zur z-Richtung verlaufenden zweiten Richtung, die als y-Richtung bezeichnet werden soll und senkrecht zu einer senkrecht zur z-Richtung und zur y-Richtung verlaufenden dritten Richtung, die als x-Richtung bezeichnet werden soll. Die Federelemente 6 sind beispielhaft als Torsionsfedern ausgebildet. Je nach Wippenkonstruktion kann auch ein Federelement 6 genügen. Das zumindest eine Federelement 6 muss auch nicht zwingenderwiese als eine Torsionsfeder ausgebildet sein. Die Federelemente 6 sind jeweils über einen gemeinsamen Anker 8, der auf der Oberseite 3 des Substrats 2 angeordnet ist, mit dem Substrat 2 verbunden. Die Federelemente 6 sind an sich zugewandten Enden jeweils mit dem Anker 8 verbunden. An sich gegenüberliegenden Enden der Federelemente 6 sind die Federelemente 6 jeweils mit der Wippe 5 verbunden. Sowohl die Federelemente 6 als auch der Anker 8 können beispielsweise Silizium oder Siliziumoxid oder andere Materialen oder eine Materialkombination aufweisen und können jeweils beispielsweise durch Strukturieren erzeugt werden.
Die Wippe 5 weist auf einer Seite der Drehachse 7 einen Rahmen 9 auf. Die Wippe 5 weist auf einer dem Rahmen 9 gegenüberliegenden Seite der Drehachse 7 ein Massenelement 10 auf. Dadurch weist die Wippe 5 bezüglich der Drehachse 7 eine asymmetrische Massenverteilung auf. Beim Einwirken einer Beschleunigung in z-Richtung wird die Wippe 5 dadurch in eine Rotation um die Drehachse 7 versetzt. Die als Torsionsfedern ausgebildeten Federelemente 6 der Sensoranordnung 1 verlaufen entlang der Drehachse 7, da sie sich beim Einwirken einer Beschleunigung auf die Sensoranordnung 1 dihedral verdrehen.
In der beispielhaften Ausführungsform der Sensoranordnung 1 der 1 weist die Sensoranordnung insgesamt vier elektrisch leitfähige Elektroden 11, 12 auf, die mit der seismischen Masse 5 jeweils abschnittsweise Kondensatoren bilden. Zwei erste Elektroden 11 sind auf der Oberseite 3 des Substrats 2 und an sich gegenüberliegenden Seiten der Drehachse 7 angeordnet. Zwei zweite Elektroden 12 sind an sich gegenüberliegenden Seiten der Drehachse 7 angeordnet und jeweils fest mit dem Substrat 2 verbunden. Die zweiten Elektroden 12 sind dabei jeweils über weitere Anker 13, die auf der Oberseite 3 des Substrats 2 angeordnet sind, fest mit dem Substrat 2 verbunden. Die ersten Elektroden 11 und die zweiten Elektroden 12 sind also jeweils unbeweglich ausgebildet.
Im Fall einer auf die Sensoranordnung 1 wirkenden Beschleunigung und einer infolgedessen einsetzenden Auslenkung der seismischen Masse 5 verändern sich Abstände zwischen den Elektroden 11, 12 und der seismischen Masse 5, wodurch sich Kapazitäten der jeweils zwischen den Elektroden 11, 12 und der seismischen Masse 5 gebildeten Kondensatoren verändern. Die Kapazitätsänderungen können als Messsignal zum Bestimmen der entlang der z-Richtung wirkenden Beschleunigung verwendet werden, wobei auch differentiell gemessen werden kann. Die Sensoranordnung 1 kann auch eine andere Anzahl von Elektroden 11, 12 aufweisen. Beispielsweise kann es genügen, dass die Sensoranordnung 1 lediglich eine Elektrode 11, 12 aufweist. Es können jedoch auch zwei, drei oder mehr als vier Elektroden 11, 12 vorgesehen sein.
Bei hohen oder plötzlichen Beschleunigungen kann es vorkommen, dass die Sensoranordnung 1 beschädigt wird. Außerdem kann es sein, dass die seismische Masse 5 am Substrat 2 haftet, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Die Sensoranordnung 1 beruht auf dem Gedanken, diese Probleme zu überwinden.
2 zeigt schematisch die Sensoranordnung 1 der 1 in einer Draufsicht mit einer Vergrößerung gemäß einem markierten Bereich. Außerdem zeigt 2 die Sensoranordnung 1 in zwei verschiedenen Schnittdarstellungen entlang in der Draufsicht jeweils gekennzeichneten Schnittebenen A-A und B-B. Die bisher verwendeten Bezugszeichen werden im Folgenden beibehalten. Die ersten Elektroden 11 sind in 2 der Einfachheit halber nicht gezeigt.
Die Sensoranordnung 1 weist eine Funktionsschicht 14 auf. Die Funktionsschicht 4 ist zwischen dem Substrat 2 und der seismischen Masse 5 angeordnet. Die Funktionsschicht 14 ist bei der beispielhaften Ausführungsform der 2 auf einer dem Substrat 2 zugewandten Unterseite der seismischen Masse 5 angeordnet, jedoch ist die Funktionsschicht 14 nicht unmittelbar auf der seismischen Masse 5 angeordnet. Vielmehr können beliebig viele Schichten zwischen der seismischen Masse 5 und der Funktionsschicht 14 angeordnet sein. Beispielhaft zeigt 2, dass zwischen der seismischen Masse 5 und der Funktionsschicht 14 eine Zwischenschicht 15 angeordnet ist. Die Zwischenschicht 15 ist beispielhaft als Oxidschicht ausgebildet und weist beispielhaft Siliziumoxid auf, sie kann jedoch auch ein anderes Oxid oder ein anderes Material aufweisen. Statt einer Zwischenschicht 15 können auch mehrere Zwischenschichten 15 vorgesehen sein.
Die Funktionsschicht 14 weist in der beispielhaften Ausführungsform polykristallines Silizium auf. Die Funktionsschicht 14 kann jedoch auch Silizium einer anderen Kristallinität oder ein anderes Material aufweisen. Die Funktionsschicht 14 und die Zwischenschicht 15 sowie gegebenenfalls weitere Schichten der Sensoranordnung 1 können mittels bekannter Techniken abgeschieden werden, beispielsweise mittels Gasphasenabscheidung. Zwischenschichten 15 können beispielsweise auch durch eine Oxidation nach einer Abscheidung erzeugt werden.
Da die Funktionsschicht 14 in der gezeigten Ausführungsform durch die Zwischenschicht 15 fest mit der seismischen Masse 5 verbunden ist, bewegt sie sich im Fall einer Beschleunigung der seismischen Masse 5 mit ihr mit. In einer alternativen Ausführungsform ist die Zwischenschicht 15 auf der Oberseite 3 des Substrats 2 angeordnet. In diesem Fall ist die Funktionsschicht 14 auf einer dem Substrat 2 abgewandten Oberseite der Zwischenschicht 15 angeordnet. Die Funktionsschicht 14 kann lediglich einen Teil der Oberseite 3 des Substrats 2 abdecken, beispielsweise kann es genügen, wenn die Funktionsschicht 14 lediglich einseitig der Drehachse 7 angeordnet ist. Die Funktionsschicht 14 ist über die Zwischenschicht 15 zumindest abschnittsweise fest mit dem Substrat 2 verbunden. In dieser nicht dargestellten Ausführungsform bewegt sich die Funktionsschicht 14 bei Beschleunigung der seismischen Masse 5 nicht mit ihr mit.
An den Querschnittsansichten der 2 ist zu erkennen, dass die seismische Masse 5 bei hohen Beschleunigungen an die Funktionsschicht 14 anschlagen könnte, wodurch die Sensoranordnung 1 beschädigt werden oder es zu einem Anhaften der seismischen Masse 5 am Substrat 2 kommen kann, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Innerhalb der Funktionsschicht 14 und in einem Bereich zwischen der seismischen Masse 5 und dem Substrat 2 ist zumindest ein federnd ausgebildeter Anschlag 16 ausgebildet. Der federnde Anschlag 16 ist entlang der z-Richtung auslenkbar ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform der Sensoranordnung der 2 weist die Funktionsschicht 14 insgesamt zwei federnde Anschläge 16 auf. Die Funktionsschicht 14 ist im Bereich der federnden Anschläge 16 jeweils freigestellt, d.h. im Bereich der federnden Anschläge 16 sind zwischen der Funktionsschicht 14 und der seismischen Masse 5 oder dem Substrat 2 keine Zwischenschichten 15 angeordnet, was in der Querschnittsansicht entlang der Ebene B-B entlang eines federnden Anschlags 16 zu erkennen ist. Dies kann beispielsweise durch Abscheiden der Funktionsschicht 14 auf der Zwischenschicht 15, Strukturieren der Funktionsschicht 14 derart, dass die federnden Anschläge 16 ausgebildet werden und ein nachträgliches Entfernen der Zwischenschicht 15 in Bereichen unterhalb der federnden Anschläge 16 erzielt werden.
Die federnden Anschläge 16 sind beispielhaft als Balkenfedern ausgebildet. Die federnden Anschläge 16 weisen also jeweils ein freies Ende 17 und ein festes Ende 18 auf. Im Bereich der festen Enden 18 sind die federnden Anschläge 16 jeweils starr mit der Funktionsschicht 14 verbunden. Die Vergrößerung der 2 zeigt, dass die federnden Anschläge 16 beispielhaft parallel zur Drehachse 7 verlaufend angeordnet sind, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. In der Vergrößerung der 2 ist die seismische Masse 5 nicht gezeigt, um die Funktionsschicht 14 erkennen zu können. Die freien Enden 17 der federnden Anschläge 16 sind einander zugewandt angeordnet. Die festen Enden 18 der federnden Anschläge 16 sind an sich abgewandten Seiten der federnden Anschläge 16 angeordnet. Durch diese Anordnung sind die freien Enden 17 der federnden Anschläge 16 jeweils im Randbereich der Wippe 5 angeordnet, wodurch die Wippe 5 besonders effektiv abgefedert werden kann. Diese Anordnung der federnden Anschläge 16 ist jedoch lediglich beispielhaft. Die federnden Anschläge 16 können auch anders als in 2 gezeigt angeordnet und orientiert sein. Die federnden Anschläge 16 können auch andere geometrische Formen aufweisen.
Die federnden Anschläge 16 sind dazu vorgesehen, die seismische Masse 5 im Fall hoher Beschleunigungskräfte, die auf die seismische Masse 5 wirken und eine übermäßige Auslenkung der seismischen Masse 5 bewirken, abzufedern, um die Sensoranordnung 1 vor Beschädigungen zu schützen. Dadurch, dass eine maximale Auslenkung der seismischen Masse 5 durch die federnden Anschläge 16 beschränkt wird, kann auch ein Anhaften der seismischen Masse 5 am Substrat 2 verhindert werden. Eine Steifigkeit der federnden Anschläge 16 kann beispielswiese durch eine gezielte Wahl eines Materials der Funktionsschicht 14, seiner Kristallinität, einer Dicke der Funktionsschicht 14, einer Länge der federnden Anschläge 16 und ihren geometrischen Formen beeinflusst werden.
Bei der beispielhaften Variante der Sensoranordnung 1 der 2, bei der die seismische Masse 5 als eine Wippe 5 ausgebildet ist, ist es zweckmäßig, den zumindest einen federnden Anschlag 16 in einem parallel zur Drehachse 7 verlaufenden Randbereich der Wippe 5 anzuordnen, da es insbesondere dieser Randbereich der Wippe 5 ist, der im Fall einer übermäßigen Beschleunigung mit der Funktionsschicht 14 in Kontakt kommen könnte.
Weiterhin sind bei der beispielhaften Ausführungsform der Sensoranordnung 1 der 2 die federnden Anschläge 16 jeweils im Bereich des Rahmens 9 der Wippe 5 angeordnet ist, d.h. jeweils in einem Bereich zwischen dem Substrat 2 und dem Rahmen 9 der Wippe 5. Dadurch wird insbesondere der fragilere Rahmen 9 im Fall hoher Beschleunigungen abgefedert und geschützt. Der zumindest eine federnde Anschlag 16 muss jedoch nicht notwendigerweise im Bereich des Rahmens 9 der Wippe 5 angeordnet sein. Er kann stattdessen auch im Bereich des Massenelements 10 der Wippe 5 angeordnet sein. Hierdurch kann die Wippe 5 insbesondere im Bereich besonders hoher wirkender Beschleunigungskräfte abgefedert und geschützt werden. Es kann auch zumindest ein federnder Anschläge 16 im Bereich des Rahmens 9 und ein zumindest ein federnder Anschlag 16 im Bereich des Masseelements 10 angeordnet sein, wodurch die Wippe 5 beidseitig der Drehachse 7 abgefedert werden kann. Es ist weiterhin zweckmäßig, dass der Rahmen 9 im Bereich über dem zumindest einen federnden Anschlag 16 verstärkt ausgebildet ist, d.h. dass der Rahmen 9 im Bereich über dem federnden Anschlag 16 eine parallel zum Substrat 2 bemessene erste Dicke und eine in Bereichen außerhalb des federnden Anschlags 16 parallel zum Substrat 2 bemessene zweite Dicke aufweist, wobei die erste Dicke größer ist als die zweite Dicke. Der Rahmen 9 muss jedoch nicht notwendigerweise im Bereich des federnden Anschlags 16 verstärkt ausgebildet sein, wie dies in 2 gezeigt ist.
Um eine maximale Auslenkung der seismischen Masse 5 bzw. der Wippe 5 zu begrenzen, ist auf einer dem zumindest einen federnden Anschlag 16 zugewandten Unterseite der seismischen Masse 5 und über dem federnden Anschlag 16 eine erste Anschlagsnoppe 19 angeordnet. Dies ist in 2 in der Querschnittsansicht entlang der Ebene B-B zu erkennen. Die erste Anschlagsnoppe 19 weist beispielhaft Silizium auf, sie kann jedoch auch ein anderes Material aufweisen, insbesondere kann die erste Anschlagsnoppe 19 ein elastisches Material, beispielsweise ein Elastomer, aufweisen, um eine zusätzliche Dämpfung im Fall eines Anschlags der seismischen Masse 5 zu bewirken.
Zusätzlich ist auf einer dem Substrat 2 zugewandten Unterseite des federnden Anschlags 16 eine zweite Anschlagsnoppe 20 angeordnet. Die zweite Anschlagsnoppe 20 kann die maximale Auslenkung der seismischen Masse 5 zusätzlich begrenzen und eine dämpfende Wirkung aufweisen. Die zweite Anschlagsnoppe 20 weist ebenso beispielhaft Silizium auf, sie kann jedoch auch ein anderes Material aufweisen, insbesondere beispielsweise ein elastisches Material. Die erste und die zweite Anschlagsnoppe 19, 20 sind vorzugsweise im Bereich des freien Endes 17 des zumindest einen federnden Anschlags 16 angeordnet, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Je nach Position der Anschlagsnoppen 19, 20 kann die Auslenkung der seismischen Masse 5 und des zumindest einen federnden Anschlags 16 unterschiedlich beeinflusst werden.
Die erste Anschlagsnoppe 19 und die zweite Anschlagsnoppe 20 können jeweils durch Strukturierung einer an der Unterseite der Funktionsschicht 14 angeordneten Schicht ausgebildet werden oder an der dem Substrat 2 zugewandten Unterseite der Funktionsschicht 14 angeordnet werden, beispielsweise durch Ankleben der Anschlagsnoppen 19, 20. Die erste Anschlagsnoppe 19 und die zweite Anschlagsnoppe 20 können jeweils für sich oder beide entfallen.
3 zeigt schematisch eine Sensoranordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht mit zwei Vergrößerungen gemäß jeweils markierten Bereichen. Außerdem zeigt 3 die Sensoranordnung 1 in einer Schnittansicht entlang einer in der Draufsicht gekennzeichneten Schnittebenen A-A. Die Sensoranordnungen 1 der 2 und der 3 weisen große Ähnlichkeiten auf. Die bisher verwendeten Bezugszeichen werden im Folgenden für ähnliche oder identisch ausgebildete Elemente beibehalten. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede der Sensoranordnung 1 der 3 zur Sensoranordnung 1 der 2 erläutert. Die ersten Elektroden 11 sind in 3 der Einfachheit halber nicht gezeigt.
Bei der Sensoranordnung 1 der 2 sind die federnden Anschläge 16 jeweils senkrecht zur Drehachse 7 verlaufend angeordnet, wobei die freien Enden 17 der federnden Anschläge 16 jeweils von den Federelementen 6 abgewandt angeordnet sind, damit die Wippe 5 mit ihrem Randbereich jeweils im Bereich der freien Enden 17 der federnden Anschläge 16 mit den federnden Anschlägen 16 in Kontakt kommen kann. Die federnden Anschläge 16 sind weiterhin in Eckbereichen des Rahmen 9 angeordnet, wodurch sich die federnde Wirkung gleichmäßig auf die seismische Masse 5 verteilt.
4 zeigt einen Teil einer Sensoranordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Querschnittsansicht gemäß der Schnittansicht B-B der 2 und einen Teil der Funktionsschicht 14 in einer Draufsicht. Die Sensoranordnungen 1 der 2 und der 4 weisen große Ähnlichkeiten auf. Die bisher verwendeten Bezugszeichen werden im Folgenden für ähnliche oder identisch ausgebildete Elemente beibehalten. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede der Sensoranordnung 1 der 4 zur Sensoranordnung 1 der 2 erläutert.
Die Sensoranordnung 1 der 4 weist zumindest einen weiteren innerhalb der Funktionsschicht 14 ausgebildeten federnden Anschlag 21 auf. Beispielhaft sind in der Funktionsschicht 14 neben den zwei federnden Anschlägen 16 vier weitere federnde Anschläge 21 ausgebildet. Die weiteren federnden Anschläge 21 sind wie die federnden Anschläge 16 als Balkenfedern ausgebildet. Die weiteren federnden Anschläge 21 sind parallel zu den federnden Anschlägen 16 und parallel zur Drehachse 7 verlaufend, d.h. parallel zur y- Richtung, angeordnet. Jeweils ein federnder Anschlag 16 und zwei weitere federnde Anschläge 21 bzw. der zumindest eine weitere federnde Anschlag 21 bilden eine erste Kaskade 22 von federnden Anschlägen 16, 21. Innerhalb einer ersten Kaskade 22 sind die federnden Anschläge 16 und weitere federnde Anschläge 21 in x-Richtung lateral nebeneinander angeordnet.
Die federnden Anschläge 16, 21 jeweils einer ersten Kaskade 22 weisen unterschiedliche Längen auf. Dadurch weisen die federnden Anschläge 16, 21 unterschiedliche Federkonstanten auf. Beispielhaft nimmt die Länge der federnden Anschläge 16, 21 mit zunehmendem Abstand zur Drehachse 7 zu. Mit zunehmender Länge nimmt eine Steifigkeit der federnden Anschläge 16, 21 ab. Auf diese Weise deckt jeder federnde Anschlag 16, 21 unterschiedliche Beschleunigungswertebereiche ab, innerhalb derer er die seismische Masse 5 bzw. die Wippe 5 abfedern kann, wodurch eine kaskadierte Abfederung der seismischen Masse 5 erfolgen kann.
Die Sensoranordnung 1 der 4 beruht auf der Sensoranordnung 1 der 2, bei der die federnden Anschläge 16 parallel zur y-Richtung verlaufend angeordnet sind. Die Sensoranordnung 1 der 4 kann jedoch auch auf der Sensoranordnung 1 der 3, bei der die federnden Anschläge 16 parallel zur x-Richtung verlaufend angeordnet sind. Auch in diesem Fall kann eine erste Kaskade 22 von innerhalb der Funktionsschicht 14 ausgebildeten federnden Anschlägen 16 und weiteren federnden Anschlägen 21 ausgebildet sein, die in diesem Fall in y-Richtung hintereinander angeordnet sind und unterschiedliche Längen aufweisen, um eine kaskadierte Federung zu gewährleisten.
Lediglich beispielhaft zeigt 4, dass für jeden federnden Anschlag 16 und für jeden weiteren federnden Anschlag 21 jeweils eine erste und zweite Anschlagsnoppe 19, 20 vorgesehen ist, was jedoch jeweils nicht zwingend erforderlich ist.
5 zeigt einen Teil einer Sensoranordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Querschnittsansicht gemäß der Schnittansicht B-B der 2.
Die Sensoranordnungen 1 der 2 und der 5 weisen große Ähnlichkeiten auf. Die bisher verwendeten Bezugszeichen werden im Folgenden für ähnliche oder identisch ausgebildete Elemente beibehalten. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede der Sensoranordnung 1 der 5 zur Sensoranordnung 1 der 2 erläutert. In 5 ist beispielhaft gezeigt, dass an einer Unterseite des zusätzlichen federnden Anschlags 24 eine zweite Anschlagsnoppe 20 angeordnet ist, die jedoch auch entfallen kann.
Die Sensoranordnung 1 gemäß 5 weist eine zusätzliche zwischen dem Substrat 2 und der seismischen Masse 5 angeordneten Funktionsschicht 23 auf. Beispielhaft ist die zusätzliche Funktionsschicht 23 unterhalb der Funktionsschicht 14 angeordnet, sie kann jedoch auch über der Funktionsschicht 14 angeordnet sein. Zwischen der Funktionsschicht 14 und der seismischen Masse 5 und zwischen der zusätzlichen Funktionsschicht 23 und dem Substrat 2 ist jeweils beispielhaft eine Zwischenschicht 15 angeordnet. In diesem Ausführungsform ist also die Funktionsschicht 14 fest mit der seismischen Masse 5 verbunden, während die zusätzliche Funktionsschicht 23 fest mit dem Substrat 2 verbunden ist. Lediglich die Funktionsschicht 14 bewegt sich somit im Fall einer Beschleunigung der seismischen Masse 5 mit ihr mit. In einer alternativen Ausführungsform sind sowohl die Funktionsschicht 14 als auch die zusätzliche Funktionsschicht 23 beide fest mit der seismischen Masse 5 verbunden. In diesem Fall ist auf einer dem Substrat 2 zugewandten Seite der Funktionsschicht 14 eine zusätzliche Zwischenschicht 15 und auf einer dem Substrat 2 zugewandten Seite der zusätzlichen Zwischenschicht 15 ist die zusätzliche Funktionsschicht 23 angeordnet. Bei einer anderen Variante sind beide Funktionsschichten 14, 23 über die Zwischenschichten 15 fest mit dem Substrat 2 verbunden. In diesem Fall ist die Funktionsschicht 14 gemäß 2 über die Zwischenschicht 15 mit dem Substrat 2 verbunden. Die zusätzliche Zwischenschicht 15 ist auf einer der seismischen Masse 5 zugewandten Seite der Funktionsschicht 14 angeordnet. Auf einer der seismischen Masse 5 zugewandten Seite der zusätzlichen Zwischenschicht 15 ist die zusätzliche Funktionsschicht 23 angeordnet.
Innerhalb der zusätzlichen Funktionsschicht 23 ist zumindest ein zusätzlicher federnder Anschlag 24 ausgebildet ist. Beispielhaft ist in der zusätzlichen Funktionsschicht 24 lediglich ein zusätzlicher federnder Abschnitt 24 ausgebildet. Der zusätzliche federnde Anschlag 24 ist über dem federnden Anschlag 16 angeordnet. Der federnde Anschlag 16 und der zusätzliche federnde Anschlag 24 bilden eine zweite Kaskade 25 von federnden Anschlägen 16, 24. Im Unterschied zur Sensoranordnung 1 der 4 erfolgt jedoch bei der Sensoranordnung 1 der 5 eine kaskadierte Federung der seismischen Masse 5 entlang der z-Richtung, da die federnden Anschläge 16, 21 übereinander angeordnet sind. Die Federkonstanten der federnden Anschläge 16, 24 können in diesem Fall jeweils beispielsweise über eine Dicke der Funktionsschicht 14 und eine Dicke der zusätzlichen Funktionsschicht 23 variiert werden. Beispielsweise ist es zweckmäßig, dass die zusätzliche Funktionsschicht 23 eine größere Dicke aufweist als die Funktionsschicht 14, damit sie steifer ausgebildet ist als die Funktionsschicht 14.
Erste Kaskaden 22 von federnden Anschlägen 16, 21 und zweite Kaskaden 25 von federnden Anschlägen 16, 23 lassen sich auch miteinander kombinieren, wodurch eine kaskadierte Federung der seismischen Masse 5 in z-Richtung und in der xy-Ebene erfolgen kann.

Claims

Sensoranordnung (1) mit einem Substrat (2), einer seismischen Masse (5) und einer zwischen dem Substrat (2) und der seismischen Masse (5) angeordneten Funktionsschicht (14), wobei die seismische Masse (5) derart mit dem Substrat (2) verbunden ist, dass die seismische Masse (5) zumindest entlang einer senkrecht zum Substrat (2) verlaufenden ersten Richtung auslenkbar ist, wobei innerhalb der Funktionsschicht (14) und zwischen der seismischen Masse (5) und dem Substrat (2) zumindest ein federnd ausgebildeter und entlang der ersten Richtung auslenkbarer Anschlag (16) ausgebildet ist.
Sensoranordnung (1) gemäß Anspruch 1, wobei auf einer Unterseite der seismischen Masse (5) eine Zwischenschicht (15) angeordnet ist, wobei die Funktionsschicht (14) auf einer dem Substrat (2) zugewandten Seite der Zwischenschicht (15) angeordnet ist, wobei die Funktionsschicht (14) im Bereich des federnden Anschlags (16) freistehend ausgebildet ist.
Sensoranordnung (1) gemäß Anspruch 1, wobei auf einer Oberseite (3) des Substrats (2) eine Zwischenschicht (15) angeordnet ist, wobei die Funktionsschicht (14) auf einer dem Substrat (2) abgewandten Oberseite der Zwischenschicht (15) angeordnet ist, wobei die Funktionsschicht (14) im Bereich des federnden Anschlags (16) freistehend ausgebildet ist.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die seismische Masse (5) als eine Wippe (5) ausgebildet ist, wobei die Wippe (5) über zumindest ein Federelement (6) derart mit dem Substrat (2) verbunden ist, dass die Wippe (5) um eine parallel zum Substrat (2) verlaufende Drehachse (7) auslenkbar gelagert ist, wobei die Wippe (5) auf einer Seite der Drehachse (7) einen Rahmen (7) aufweist, wobei die Wippe (5) auf einer dem Rahmen (9) gegenüberliegenden Seite der Drehachse (7) ein Massenelement (10) aufweist, wodurch die Wippe (5) eine bezüglich der Drehachse (7) asymmetrische Massenverteilung aufweist.
Sensoranordnung (1) gemäß Anspruch 4, wobei der federnde Anschlag (16) in einem parallel zur Drehachse (7) verlaufenden Randbereich der Wippe (5) angeordnet ist.
Sensoranordnung (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der federnde Anschlag (16) im Bereich des Rahmens (9) der Wippe (5) angeordnet ist.
Sensoranordnung (1) gemäß Anspruch 6, wobei der Rahmen (9) im Bereich über dem federnden Anschlag (16) eine parallel zum Substrat (2) bemessene erste Dicke und eine in Bereichen außerhalb des federnden Anschlags (16) parallel zum Substrat (2) bemessene zweite Dicke aufweist, wobei die erste Dicke größer ist als die zweite Dicke.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der federnde Anschlag (16) im Bereich des Massenelements (10) der Wippe (5) angeordnet ist.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer dem federnden Anschlag (16) zugewandten Unterseite der seismischen Masse (5) und über dem federnden Anschlag (16) eine erste Anschlagsnoppe (19) angeordnet ist.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer dem Substrat (2) zugewandten Unterseite des federnden Anschlags (16) eine zweite Anschlagsnoppe (20) angeordnet ist.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem weiteren innerhalb der Funktionsschicht (14) ausgebildeten federnden Anschlag (21), wobei der federnde Anschlag (16) und der weitere federnde Anschlag (21) eine erste Kaskade (22) von federnden Anschlägen (16, 21) bilden.
Sensoranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zusätzlichen zwischen dem Substrat (2) und der seismischen Masse (5) angeordneten Funktionsschicht (23), wobei innerhalb der zusätzlichen Funktionsschicht (23) zumindest ein zusätzlicher federnder Anschlag (24) ausgebildet ist, wobei der federnde Anschlag (16) und der zusätzliche federnde Anschlag (24) übereinander angeordnet sind und eine zweite Kaskade (25) von federnden Anschlägen (16, 24) bilden.