專利名稱：微機械結構以及用于調整微機械結構的工作間隙寬度的方法
微機械結構以及用于調整微機械結構的工作間隙寬度的方
法
現有技術本發明涉及一種按照權利要求1的前序部分的微機械結構以及一種按照權利要求10的前序部分的用于調整微機械結構的工作間隙寬度的方法。對于在微型系統技術中的許多應用都要求，在半導體襯底中實現具有高的特征比例的工作間隙，也就是說，間隙深度與間隙寬度的商數大的工作間隙。由US6136630和 DE19852878已知一些增大該特征比例的解決方案。在W003/043189中描述了一種具有一個微機械結構的機電式共振器。通過施加電場將一個可運動的結構元件相對于一個固定的結構元件預張緊，以便減小工作間隙寬度。由DE102004053103A1已知，通過使用至少一個彈簧縮小間隙寬度，其中該彈簧被固定在一個夾緊位置上并且具有內部的預緊力，該預緊力由彈簧的基礎材料的涂層產生并且為了減小間隙寬度被釋放到一種長度改變中。在由于受工藝的限制而具有小的和統一的工作間隙寬度的微機械傳感器或執行器中，基本上存在兩種困難。例如在設計成梳齒驅動器的微機械結構中，在統一的間隙寬度情況下觀察不到線性的特性并且由此產生不穩定的特性。此外，在已知的、具有非常小的間隙寬度的傳感器和執行器中具有的問題是，僅僅能夠在加速度傳感器和轉速傳感器中達到一個很小的機械的工作振幅。本發明的公開技術任務本發明基于的任務是提出一種可供選擇的微機械結構，通過它可以實現比較大的機械的工作振幅。此外，該任務在于建議一種相應優化的用于增大工作振幅的方法。技術方案這個任務在微機械結構方面通過權利要求1的特征解決而在方法方面通過權利要求10的特征解決。本發明的有利的擴展方案在從屬權利要求中給出。在本發明的范圍中包括由至少兩個在說明書、權利要求書和/或附圖中公開的特征的全部組合。為了避免重復，按照方法方式公開的特征也應該被視為按照裝置方式被公開并且要求權利。同樣地， 按照裝置方式公開的特征也應該被視為按照方法方式被公開并且要求權利。本發明基于這樣的構思，即建議一種微機械結構，其中不象在現有技術中那樣在將工作間隙安置到半導體材料中之后，尤其是通過蝕刻工藝，使該工作間隙(工作溝槽)縮小，而是相反通過合適的機構擴大該間隙寬度。在此情況下，在按照本發明的設計構思設計的微機械結構中，對在微機械結構運行期間相對于一個參照點固定的(半導體)結構部段相對于在微機械結構運行期間可相對于該參照點調節的(半導體)結構部段進行調節。由此可以，尤其是在加速度和轉速傳感器情況下，但是也包括在執行器中，在事后實現大的機械的工作振幅。而且在微機械結構的相應的設計中，如后面還要說明的，也可以通過實現不統一的間隙寬度來實現一種相應的、尤其是梳型地結構化的執行器或傳感器的線性特性。 參照點可以或者本身可運動地或者固定地布置。優選該參照點是一個用按照本發明的微型結構裝配的裝置的組成部分。例如該參照點可以由相對于一個旋轉框架傳感器的傳感器外殼可旋轉地支承的框架形成。總之，本發明的核心因此在于，在微機械結構中在形成間隙之后擴大與功能相關的該工作間隙。在本發明的意義中，工作間隙是指這樣的間隙，即在用作執行器的微機械結構中的可運動的(可主動調節的)結構部段被調節進入該間隙。在傳感器情況下，工作間隙被理解為由一些結構部段限制的間隙，在該結構部段之間測量電容。在此情況下，該電容在工作間隙變小時通過在固定的結構部段的方向上調節可調節的結構部段而增大。在本發明的擴展方案中有利地規定，該機構這樣地擴寬該工作間隙，使得該工作間隙具有不統一的間隙寬度。換言之，通過至少逐部段地擴寬該工作間隙，在工作間隙的至少兩個不同的位置上實現不同的間隙寬度并且由此實現一種線性特性。在梳齒驅動器情況下，此時在梳齒驅動器的縱向延伸部的方向上延伸的工作間隙部段最好比在梳齒驅動器的縱向延伸部的橫向上延伸的工作間隙部段更寬(在縱向延伸部的橫向上)。按照一種最簡單的實施形式，該工作間隙僅僅一維地，亦即通過調節至少一個結構部段在一個惟一的方向上被擴寬。但是也可以實現一種實施形式，尤其是在一個不是直的而是例如經至少一個角部延伸的工作間隙情況下，其中該工作間隙被二維地擴寬，尤其是通過在兩個方向上調節至少一個在微機械結構運行中固定的結構部段或者優選通過在兩個最好相互成直角地延伸的方向上調節至少兩個或多個結構元件。在用于擴寬工作間隙的機構的結構設計上具有各種不同的可能性。原則上可以設想使用相同的機構(但是具有相反的作用)，如它們在現有技術中用于使工作間隙變窄那樣。特別優選地是一種實施形式，其中該機構設計成通過產生電磁場，亦即通過使用靜電力來擴寬工作間隙。附加地或備選地，該機構可以設計成通過使用至少一個彈簧擴寬該工作間隙。在此情況下特別優選一種實施形式，其中彈簧按照在DE102004058103A1中描述的方式進行設計，即該彈簧具有覆層，該覆層用于實現彈簧的一種內部的預張力。為了在微機械結構內部提供足夠的空間，以便擴大工作間隙，優選一種實施形式， 其中為至少一個要擴寬的工作間隙配置至少一個輔助間隙，該輔助間隙借助于用于擴寬工作間隙的機構被變窄，尤其是被完全閉合。在此情況下特別優選一種實施形式，其中輔助間隙平行于工作間隙延伸。按照微機械結構的一個特別優選的實施形式，對工作間隙限界的結構部段設計成梳形，其中梳型的結構部段相互間以一定的間距以嚙合齒的方式相互嚙合到對方中。為了擴寬工作間隙，使在微機械結構運行中靜止的那個結構部段移動而離開各其它的結構部段。特別優選地，此時該工作間隙僅僅被一維地擴大，最好這樣地擴大，即實現開頭所述的非統一的工作間隙寬度。在本發明的擴展方案中有利地規定，該工作間隙設計成圍繞在微機械結構運行中固定的結構部段的環繞的(環形的)間隙。優選設置多個，尤其是四個，在運行中固定的結構部段，它們借助于用于擴寬工作間隙的機構被相互朝著對方移動，以便最好均勻地擴寬工作間隙。特別優選的是一種實施形式，其中工作間隙通過平行調節多個在微機械結構運行期間固定的結構部段被擴寬。在此情況下優選為每個要調節的結構部段配設一個輔助間隙，該輔助間隙最好通過調節固定的結構部段被完全封閉。所述的實施形式是特別有利的，因為輔助間隙寬度相互疊加并且因此可以特別大地擴寬工作間隙。本發明還涉及一種用于調整微機械結構的、尤其是傳感器或執行器的、由至少兩個可相互相對調節的結構部段限制的工作間隙的方法。按照本發明規定，該工作間隙通過調節至少一個在微機械結構運行期間固定的結構部段被事后擴寬。換言之，亦即不是調節在微機械結構運行期間可運動的結構部段，而是固定的基準結構部段。附圖簡述本發明的其它的優點、特征和細節由以下對優選實施例的說明以及依據附圖給出。附圖中所示
圖1是緊接著在形成工作間隙之后在還沒有被擴寬的狀態下的一個微機械的梳結構，圖2是按照圖1的在后來進行工作間隙擴寬之后的微機械的梳結構，圖3是按照圖1的微機械的梳結構的一個局部詳圖，圖4是按照圖2的被擴寬的微機械的梳結構的一個局部詳圖5是一個在擴寬之前具有一個環繞的工作間隙的備選微機械結構，圖6是按照圖5的在擴寬工作間隙之后的微機械結構，圖7是具有一個工作間隙的微機械結構的另一個備選實施例，其中設置多個在微機械結構運行期間固定的結構部段，它們可以通過平行移動被調節到圖8中所示的狀態， 以及圖8是按照圖7的具有被擴寬的工作間隙的微機械結構。本發明的實施形式在附圖中，相同的元件和具有相同功能的元件用相同的標記標示。圖1中示出了一個可選擇地用作傳感器或執行器的微機械結構1。微機械結構1 通過在半導體材料中的蝕刻步驟形成。如由圖1中可知，微機械結構包括兩個主動的結構區2，3，它們各具有一個回形(波紋)的工作間隙4，5，其中工作間隙4，5相互平行地延伸。 工作間隙4，5中的每一個都是在一個在圖面中位于內部的、梳型的、在微機械結構1運行中固定的結構部段6，7和一個在圖面中位于外部的、與對應的固定的結構部段6，7嚙合的、梳型的、可運動的(在執行器情況下是可主動調節的)結構部段8，9之間形成的。在結構區2，3的縱向延伸部的方向上延伸的工作間隙部段10，11在蝕刻溝槽結構之后具有與在結構區2，3的縱向延伸部的橫向上延伸的工作間隙部段12，13相同的間隙寬度。為了擴寬在梳型的結構區2，3的縱向延伸部的方向上延伸的工作間隙部段10，11，這樣地產生一個電場，使得在圖面中位于內部的、在微機械結構1運行期間固定的結構部段6，7 相互向對方移動，也就是說被移動離開所屬的、在運行中可運動的結構部段8，9。這可以由此實現，即每個固定的結構部段6，7配置多個輔助間隙14，15，它們與在結構區2，3的縱向延伸部的方向上延伸的工作間隙部段10，11平行地延伸。輔助間隙14，15在彈簧元件16 內部形成。除了產生電場以外，也可以附加地或備選地實現一種機械的、彈簧力支持的調節機構。輔助間隙14，15通過向內調節結構部段6，7而被閉合，從而實現在圖2中所示的微機械結構1，其中工作間隙4，5，更確切地說，在結構區2，3的縱向延伸部的方向上延伸的工作間隙部段10，11在結構區2，3的縱向延伸部的橫向上被擴寬，由此保證較大的機械振幅并且在所示的實施例中也保證線性的特性。
5
在圖3和4中示出了按照圖1和圖2的工作間隙4在后來進行工作間隙擴寬之前和之后的局部圖。可以看見，該工作間隙4在擴寬之前具有一個統一的間隙寬度，在此處為 1. 5μπι。換言之，在結構區2的縱向延伸部的方向上延伸的工作間隙部段10的間隙寬度在擴寬之前與在該方向的橫向上延伸的工作間隙部段12的寬度一樣大。通過在圖面中向右調節在運行期間固定的結構部段6，該工作間隙部段10被擴寬，相反，工作間隙部段12的寬度保持恒定。在圖4中所示的實施例中，工作間隙部段10的間隙寬度是工作間隙12的間隙寬度的兩倍。在圖5和6中示出了在將此處設計成環繞的間隙的工作間隙4擴寬之前和之后的一個微機械結構ι的備選實施例。微機械結構1包括一個外部的結構部段8和四個構造成三角形輪廓、在微機械結構1運行期間固定的結構部段6，在它們之間實現傾斜延伸的、相互交叉的輔助間隙14。它們通過對結構部段6的相對調節而被閉合，由此產生該環繞的工作間隙4的二維式擴大，如其在圖6中所示。用于調節結構部段6的機構例如可以實現為靜電的調節機構或在使用至少一個彈簧元件下的機械的調節機構。在圖7和8中示出了一個微機械結構的另一個備選的實施例。可以看見三個相互平行延伸的結構部段6，它們在微機械結構運行期間是靜止的。在每兩個相鄰的結構部段6 之間實現一個輔助間隙，它通過使結構部段6相互相對運動而被閉合，如圖8中所示。固定的結構部段6以機械的方式通過彈簧元件16相互連接，該彈簧元件導致對結構部段6的調節。由此產生一個在圖8示出的、與圖7相比較被擴寬的工作間隙4。
權利要求
1.微機械結構，尤其是傳感器或執行器，包括至少一個由至少兩個可相互相對調節的結構部段(6，7，8，9)限制的工作間隙G，5)并且包括用于調整該工作間隙寬度的機構，其特征在于，該機構設計成通過對至少一個在微機械結構(1)運行期間相對于一個參照點固定的結構部段(6，7)相對于在運行中相對于這個參照點可運動的結構部段(8，9)進行調節而擴寬該工作間隙G，5)。
2.按照權利要求1所述的微機械結構，其特征在于，該機構設計成這樣地擴寬該工作間隙G，5)，即工作間隙0，5)在至少兩個部位上具有不同的間隙寬度。
3.按照權利要求1或2之一所述的微機械結構，其特征在于，該機構設計成一維地或二維地擴寬該工作間隙G，5)。
4.按照前述權利要求之一所述的微機械結構(1)，其特征在于，該機構通過產生靜電力擴寬該工作間隙(4，5)。
5.按照前述權利要求之一所述的微機械結構，其特征在于，該機構設計成借助于至少一個尤其是被涂層的彈簧擴寬該工作間隙G，5)。
6.按照前述權利要求之一所述的微機械結構，其特征在于，該機構設計成通過使至少一個輔助間隙(14，15)變窄來擴寬該工作間隙0，5)。
7.按照前述權利要求之一所述的微機械結構，其特征在于，限制該工作間隙G，5)的結構部段(6，7，8，9)設計成梳形，并且在微機械結構(1)運行期間固定的結構部段(6，7) 可以借助于所述機構被移動離開在運行期間可調節的結構部段。
8.按照前述權利要求之一所述的微機械結構，其特征在于，所述工作間隙(4，5)設計成環繞至少一個在運行中固定的結構部段(6，7)的間隙。
9.按照前述權利要求之一所述的微機械結構，其特征在于，所述工作間隙(4，5)可以通過平行調節多個在微機械結構(1)運行期間固定的結構部段(6，7)被擴寬。
10.用于調整微機械結構(1)的、尤其是傳感器或執行器的、由至少兩個可相互相對調節的結構部段(6，7，8，9)限制的工作間隙(4，5)的方法，其特征在于，通過對至少一個在微機械結構(1)運行期間相對于一個參照點固定的結構部段(6，7)相對于一個相對于該參照點可運動的結構部段(8，9)進行調節而擴寬該工作間隙0，5)。
全文摘要
本發明涉及一種微機械結構(1)，尤其是傳感器或執行器，包括至少一個由至少兩個可相互相對調節的結構部段(6，7，8，9)限制的工作間隙(4，5)和包括用于調整該工作間隙寬度的機構。按照本發明規定，該機構通過對至少一個在微機械結構(1)運行期間相對于一個參照點固定的結構部段(6，7)相對于在運行中相對于這個參照點可運動的結構部段(8，9)進行調節來擴寬該工作間隙(4，5)。本發明此外涉及一種用于調整工作間隙寬度的方法。
文檔編號B81B3/00GK102387983SQ200980129796
公開日2012年3月21日 申請日期2009年6月15日 優先權日2008年7月30日
發明者C·勞德茲斯, D·C·邁澤爾, T·弗里德里希 申請人:羅伯特.博世有限公司