具有止挡弹簧结构的微机械设备
阅读说明：本技术 具有止挡弹簧结构的微机械设备 (Micromechanical device with a stop spring structure ) 是由 C·纳格尔 J·克拉森 R·舍本 R·艾德 于 2021-04-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种微机械设备,具有衬底、可运动质量和止挡弹簧结构,该止挡弹簧结构具有止挡,其中,衬底具有平行于主延伸平面的衬底表面并且可运动质量相对于衬底可运动地布置在衬底表面上方,其中,止挡弹簧结构与可运动质量连接并且止挡构型成,在可运动质量沿z方向垂直于所述主延伸平面偏移时碰撞在所述衬底表面上。本发明的核心在于,止挡弹簧结构在止挡的位置处在z方向上具有第一弹簧常数Kz,在平行于主延伸平面的x方向上具有第二弹簧常数Kx,并且在平行于所述主延伸平面并且垂直于x方向的y方向上具有第三弹簧常数Ky,其中,所述第一弹簧常数Kz大于所述第二弹簧常数Kx和/或大于所述第三弹簧常数Ky。(The invention relates to a micromechanical device having a substrate, a movable mass, and a stop spring arrangement with a stop, wherein the substrate has a substrate surface parallel to a main plane of extension and the movable mass is arranged movably relative to the substrate above the substrate surface, wherein the stop spring arrangement is connected to the movable mass and the stop is configured to impinge on the substrate surface when the movable mass is deflected in the z direction perpendicularly to the main plane of extension. The core of the invention is that the stop spring arrangement has a first spring constant Kz in the z direction at the position of the stop, a second spring constant Kx in the x direction parallel to the main plane of extension, and a third spring constant Ky in the y direction parallel to the main plane of extension and perpendicular to the x direction, wherein the first spring constant Kz is greater than the second spring constant Kx and/or greater than the third spring constant Ky.)
技术领域
本发明涉及一种微机械设备，所述微机械设备具有衬底、可运动质量和止挡弹簧结构，该止挡弹簧结构具有止挡，其中，衬底具有平行于主延伸平面(x，y)的衬底表面并且可运动质量相对于衬底可运动地布置在衬底表面上方，其中，止挡弹簧结构与可运动质量连接并且止挡构型为，在可运动质量沿垂直于主延伸平面(x，y)的z方向偏移时碰撞在衬底表面上。这种设备在现有技术中例如作为呈翘板结构的z加速度传感器已知。
背景技术
用于测量加速度和转速的微机械惯性传感器针对在车辆和消费领域中的不同应用大批量地制造。对于具有垂直于晶片平面(x，y)、即沿z方向或平面外方向的探测方向的电容式加速度传感器，经常使用不对称地悬挂的振动质量、所谓的“翘板”。该翘板的传感器原理基于弹簧质量系统，在该弹簧质量系统中在最简单的情况下可运动的振动质量与两个固定在衬底上的对应电极形成两个板状电容器。振动质量通过至少一个、出于对称性原因通常通过两个扭转弹簧与底层连接。如果在扭转弹簧的两侧上的质量结构不一样大，那么在z加速度起作用时质量结构相对于作为旋转轴的扭转弹簧旋转。由此在具有较大质量的一侧上的电极的距离变小并且在另一侧上变大。电容改变是用于起作用的加速度的量度。该加速度传感器在现有技术中的大量文献中公开，如在公开文献EP 0 244 581和EP 0 773443 B1中。
在微机械传感器的技术扩展中的重要方面是机械稳固性和过载强度的增大。通过新的应用区域决定地，得出新的安装位置并且由此可能也得出新式的负载曲线，该负载曲线具有用于传感器的提升的稳固性要求。
可能的错误图像是粘接，在粘接中，一旦在止挡中的粘接力大于弹簧质量系统的复位力，可运动的传感器质量保持附着在机械的固定止挡上。新式的负载曲线也可以导致，粘接倾向随着构件的使用寿命而提升。因此必要的是，既使附加负载对于粘接倾向的影响保持小，也使针对粘接的稳固性一般地提升。
为了减小粘接风险，对于z加速度传感器经常使用块状部止挡，如在图1中作为现有技术示例性示出的那样。对此，公开文献DE 10 2005 059 905 A1公开了一种可能的制造方法和可能的块状部的布置。作为用于固定的平面外止挡的另外的现有技术提到公开文件DE 10 2008 042 366 A1、US 2013 0 015 743 A1、DE 10 2014 212 314 A1、US 2014 0298 910 A1和WO 2018 026 032 A1。
在图1中，相应于DE 10 2005 059 905 A1，块状部布置在可运动的传感器结构的下侧上。由于减小的止挡面，粘接力相对较小并且因此在偶尔触碰时的粘接风险是小的。但硬的固定止挡在频繁过载时倾向于上面所述的错误机制(粘接，颗粒形成)。因此，在过去已经提出不同的弹动止挡，所述弹动止挡一方面在止挡时在碰撞时进行缓冲、即减小止挡表面的机械损伤，另一方面在强烈负载时提供提升的复位力，因为除了传感器的功能弹簧的复位力之外止挡弹簧附加地有助于复位力。公开文献DE 10 2008 043 753 A1示出具有弹动止挡的传感器，该弹动止挡在与振动质量相同的功能平面中实现。公开文献EP 3 111232 B1示出了非常类似的布置，但在这里止挡不仅可以沿一个方向起作用，而是在两侧起作用，既朝着底部电极的方向起作用也朝着传感器盖的方向起作用。公开文献DE 10 2012207 939 A1请求保护一种弹动止挡，该弹动止挡由在较厚的功能层下面或上面的第二薄功能层形成。在该情况下，当薄功能层布置在厚功能层下方时，止挡可以朝着底部电极的方向进行。而如果薄层布置在厚功能层上方，那么止挡可以朝着传感器盖的方向进行。
此外已知，粘接倾向也可以通过垂直于止挡方向起作用的力影响。这例如由文献US 10 488 430 B2以及M.Naumann等人的文章“The Effect of Multi-DirectionalStimuli on the Stiction-Induced Failure Behavior of MEMS”，J.Microelectromech.Systems，Vol.25，No.3，432-439已知。用于在附加出现的横向加速度时的提升的粘接倾向的准确的显微机制还没有足够清楚。可能地，通过在接触面上的横向滑动比在纯垂直接触时更强烈地损害抗粘附层。
发明内容
本发明的任务是实现一种微机械设备，该微机械设备相对于加速度是机械稳固的，该加速度同时具有垂直于衬底的主平面、即沿z方向的分量和平行于衬底的主平面、即沿x、y方向的分量。
本发明由具有衬底、可运动质量和止挡弹簧结构的微机械设备出发，该止挡弹簧结构具有止挡，其中，衬底具有平行于主延伸平面(x，y)的衬底表面并且可运动质量相对于衬底可运动地布置在衬底表面上方，其中，止挡弹簧结构与可运动质量连接并且止挡构型成在可运动质量沿z方向垂直于主延伸平面(x，y)偏移时碰撞在衬底表面上。本发明的核心在于，止挡弹簧结构在止挡的位置处在z方向上具有第一弹簧常数Kz，在平行于主延伸平面(x，y)的x方向上具有第二弹簧常数Kx，并且在平行于主延伸平面(x，y)并且垂直于x方向的y方向上具有第三弹簧常数Ky，其中，第一弹簧常数Kz大于第二弹簧常数Kx或者也大于第三弹簧常数Ky。
根据本发明，可运动质量的z止挡的止挡弹簧结构这样构型，使得所述止挡弹簧结构在z方向上具有限定的、相对较高的弹簧刚性并且附加地在与此垂直的至少一个方向x或y上具有非常小的弹簧刚性。有利地，由此降低在微机械设备的止挡和衬底表面之间的剪切负载。
本发明的有利构型设置为，止挡弹簧结构具有第一止挡弹簧，该第一止挡弹簧在至少一个第一连接区域中与可运动质量连接。在此特别有利地，第一止挡弹簧在第二连接区域中与可运动质量连接并且是扭转弹簧或曲折弹簧或这些弹簧的组合。有利地，这种弹簧可以平行于主延伸平面非常软地构型。有利地，由此扭转弹簧的翘板功能也可以与沿x方向和y方向的可偏移性结合。
本发明的有利构型设置为，第一止挡弹簧是螺旋弹簧。有利地，该弹簧适配于与可运动质量的连接区域。有利地，通过在小基面上的螺旋弹簧能够实现非常大的有效的弹簧长度。
特别有利地，止挡弹簧结构具有第二止挡弹簧，该第二止挡弹簧与第一止挡弹簧连接。有利地，弹簧常数Kz(垂直于主延伸平面)和Kx、Ky(平行于主延伸平面)能够尽可能彼此无关地调节。
特别有利地，第二弹簧常数Kx或第三弹簧常数Ky小于第一弹簧常数Kz的60％、优选小于30％。
附图说明
图1a和图1b示意性示出现有技术中的z加速度传感器。
图2a和图2b示意性示出在第一实施例中的根据本发明的微机械止挡结构。
图3a和图3b示意性示出在第二和第三实施例中的根据本发明的微机械止挡结构。
图4a和图4b示意性示出在第四实施例中的根据本发明的微机械止挡结构。
图5a、图5b和图5c示意性示出在第五实施例中的处于三种运行状态中的根据本发明的微机械止挡结构。
具体实施方式
作用到弹簧上的力以一级近似与弹簧的偏移成比例。
F＝K*L，其中，F是力、K是弹簧常数并且L是偏移。
根据本发明的设备的止挡弹簧结构能够实现在所有(笛卡尔)空间方向x，y，z中的偏移。在此，止挡弹簧结构根据偏移的方向具有不同的弹簧常数并且因此具有不同的复位力。
F(x，y，z)＝K(x，y，z)*L(x，y，z)
为了尽可能不产生止挡在表面上沿x或y方向的侧向移动，垂直于止挡方向z的弹簧常数、也称为弹簧刚性或弹簧硬度应小于沿止挡方向的弹簧刚性的确定百分比。假设在碰撞期间的外部力矢量不明显改变方向时，该弹簧刚性由摩擦系数以及由最大可期望的力矢量得出。特别优选地，沿垂直于止挡方向z的方向的弹簧刚性应小于沿止挡方向的弹簧刚性的30％、至少小于60％。
存在多种可能性，这样构型弹动的止挡，使得所述止挡满足上面的要求。
图1a和图1b示意性示出现有技术中的z加速度传感器。
图1a示出具有衬底表面12的衬底10，这里是传感器芯的底层。图1b示出微机械设备、例如z加速度传感器，具有衬底10和可运动质量20，该可运动质量借助于扭转弹簧400不对称地悬挂在锚固部500上方。锚固部固定在衬底上并且将可运动质量保持在衬底表面12上方。衬底表面12平行于主延伸平面(x，y)地延伸。可运动质量相对于衬底可运动地布置在衬底表面上方。在可运动质量下面在衬底表面上布置有电极200，通过所述电极可以测量可运动质量相对于衬底表面的距离。可运动质量在下侧上具有与衬底表面相对置的、呈块状部400的形式的固定止挡。在可运动质量沿z方向、即垂直于主延伸平面(x，y)偏移时，该块状部400碰撞在衬底表面12上。示意性示图以透明俯视图示出根据翘板原理的z加速度传感器。
为了阐明下面描述的本发明，标记区域101，在该区域中可以实现根据本发明的止挡弹簧结构。这当然不是唯一可考虑的区域。例如在传感器的对置侧上同样实施弹动的止挡。
图2a和图2b示意性示出第一实施例中的根据本发明的微机械止挡结构。该微机械止挡结构布置在微机械设备的放大部分101中。
在此，图2a局部地示出具有凹部25的振动质量20。在凹部中布置具有第一止挡弹簧31的止挡弹簧结构30。第一止挡弹簧在第一连接区域23中并且在第二连接区域24中与可运动质量20连接。第一止挡弹簧由扭转弹簧和回环弹簧或曲折弹簧组合成。止挡40的位置处于有效的弹簧长度的中间。
图2b以剖视图示出止挡的位置。止挡40布置在第一止挡弹簧31上并且在该示例中具有块状部的形状。在可运动质量沿z方向偏移时止挡40可以碰撞在衬底表面12上。为此，块状部超过振动质量和止挡弹簧结构的与衬底相对置的表面伸出。止挡弹簧结构30在止挡40的位置处在z方向上具有第一弹簧常数Kz，在平行于主延伸平面(x，y)的x方向上具有第二弹簧常数Kx并且在平行于主延伸平面(x，y)和垂直于x方向的y方向上具有第三弹簧常数Ky。在此，第一弹簧常数Kz大于第二弹簧常数Kx并且也大于第三弹簧常数Ky。
由此在图2中示出弹簧结构，该弹簧结构在平面方向x、y中由于细长和折叠的弹簧梁而是软的并且在平面外方向z中具有期望的较高的弹簧刚性，因为弹簧梁的高度明显大于宽度。
当止挡40由于z加速度贴靠在衬底表面12上并且附加地出现沿x或y方向的加速度时，止挡弹簧结构30沿x或y方向弯曲。因此不会出现，止挡平行于主延伸平面地刮过衬底表面。止挡在衬底表面上保持不动。
图3a和图3b示意性示出在第二和第三实施例中的根据本发明的微机械止挡结构。
示出的是具有呈螺旋形结构的第一止挡弹簧31的止挡弹簧结构30。
在此，图3a示出弹簧的具有区段式呈直线的、弯折的弹簧梁的螺旋形构造。
图3b示出典型的具有弧形弹簧梁的螺旋弹簧。第一止挡弹簧31分别布置在可运动质量20中的凹部25中并且在第一连接区域23中与可运动质量连接。在有效的弹簧长度的另一端处布置有止挡40。
在图2和图3中示出的结构除了止挡块状部本身之外能够在单个微机械功能层中实现。
图4a和图4b示意性示出在第四实施例中的根据本发明的微机械止挡结构。
图4a从上方以部分穿透的俯视图示出具有可运动质量20和凹部25的局部101，在该凹部中布置有止挡弹簧结构30。在此，第一止挡弹簧31示意性地通过弹簧符号沿方向x和y示出。所述第一止挡弹簧在止挡的位置处与第二止挡弹簧32连接，该第二止挡弹簧在下侧上具有止挡40。
图4b以剖视图示出止挡的位置。部分以符号性的示图示出具有第一止挡弹簧31的止挡弹簧结构30。在第一止挡弹簧下面并且与所述第一止挡弹簧连接地布置有第二止挡弹簧32，该第二止挡弹簧可以沿z方向偏移。在第二止挡弹簧上布置有呈止挡块状部形式的止挡40。在可运动质量和止挡弹簧结构30伴随着所述可运动质量沿z方向偏移时，止挡40可以碰撞在衬底10的衬底表面12上。
可运动质量和第一止挡弹簧布置在第一微机械功能层中。第二止挡弹簧在第一止挡弹簧下面的布置显示出在微机械设备的构型中的附加自由度，该附加自由度通过使用第二功能层得出。通过示出的结构能够使第一止挡弹簧31的符号表明的弹簧元件沿x和y方向非常软地构型，而所述弹簧元件垂直于主平面、即沿z方向具有高刚性。在此，止挡弹簧结构30在止挡40的位置处的刚性主要由第二止挡弹簧32确定，该第二止挡弹簧构造在第二功能层中。
图5a、图5b和图5c示意性示出在第五实施中的处于三种运行状态中的根据本发明的微机械止挡结构。
图4中的思想的可能实施方案在图5a中示出。第一止挡弹簧31的结构由2个U形弹簧组成，所述U形弹簧具有臂相对彼此的大间距。由此该弹簧结构在平行于主延伸平面(x，y)的两个方向x和y上是软的。第二止挡弹簧32实施有矩形的基面并且在其余部分相应于图4的结构。当然，在示图中，凹部25的空的、未利用的面可以通过振动质量20填充，使得止挡弹簧结构的运动自由度不受限制。
图5a示出在第一运行状态中在静止位置中的微机械设备。在此，可运动质量20和止挡弹簧结构30不偏移。止挡40不具有与位于下方的衬底的机械接触。
图5b示出在第二运行状态中的微机械设备。在沿z方向持续偏移时，在该偏移中止挡40碰撞在衬底表面上，附加地出现可运动质量20沿y方向的偏移。第一弹簧常数Kz大于第三弹簧常数Ky。因此，止挡40不运动地保持在衬底表面上，并且第一止挡弹簧31沿y方向弯曲。
图5c示出在第三运行状态中的微机械设备。在沿z方向持续偏移时，在该偏移中止挡40碰撞在衬底表面上，附加地出现可运动质量20沿x方向的偏移。第一弹簧常数Kz大于第二弹簧常数Kx。因此，止挡40不运动地保持在衬底表面上，并且第一止挡弹簧31沿x方向弯曲。
附图标记列表
10 衬底
12 衬底表面
20 可运动质量
23 第一连接区域
24 第二连接区域
25 凹部
30 止挡弹簧结构
31 第一止挡弹簧
32 第二止挡弹簧
40 止挡
101 放大部分
200 电极
300固定止挡、块状部
400 扭转弹簧
500 锚固部
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