帶有梁形元件的可振動(dòng)的微機(jī)械系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：帶有梁形元件的可振動(dòng)的微機(jī)械系統(tǒng)的制作方法
帶有梁形元件的可振動(dòng)的微機(jī)械系統(tǒng)本發(fā)明涉及一種帶有至少一個(gè)梁形元件的微機(jī)械系統(tǒng)，該梁形元件具有一懸臂的或者說(shuō)無(wú)支承的(freistehend)端部，并且在其另一端部處連接在微機(jī)械系統(tǒng)的另一個(gè)元件上。微機(jī)械系統(tǒng)常常被稱為微系統(tǒng)或者M(jìn)EMS (Micro-Electro-Mechanical-System 微機(jī)電系統(tǒng))，該微機(jī)械系統(tǒng)特別是由于其尺寸微小，價(jià)格相對(duì)較低以及高的可靠性而得以日益增加的推廣。例如，這尤其是被用作采集聲發(fā)射的傳感器，像固體聲傳感器、加速傳感器和傾斜度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器或者壓力傳感器?！奥暟l(fā)射”在英文中被稱作“Acoustic Emissions (Α Ε) ”，通常指的是在固體材料內(nèi)部由于突然釋放能量而通過(guò)沖擊式激勵(lì)產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象。相應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)以固體聲的形式在固體內(nèi)傳播，其通常以從大約20k Hz到大約IMHz的頻率范圍出現(xiàn)。在這種情況下，聲發(fā)射信號(hào)在固體或者目標(biāo)的機(jī)械損傷方面較為敏感。因此用于檢測(cè)聲發(fā)射(Acoustic Emission Sensors)的微機(jī)械的傳感器尤其被用于監(jiān)視機(jī)械部件、比如滾動(dòng)軸承的磨損。在這種情況下，相應(yīng)的傳感器通常有可振動(dòng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)有被懸掛或者固定在彈簧元件上的震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊(Seismische Masse)。外力或者加速度可引起所述震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊相對(duì)于固定的懸架發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對(duì)這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，其中為了取得信號(hào)常常利用電容原理。 在此，該震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊具有電極布設(shè)，該電極布設(shè)可以例如呈梳子狀，并且與固定的對(duì)應(yīng)電極一起形成一種可變化的電容。通過(guò)采集電容值或者電容的變化，在此可以探測(cè)聲發(fā)射。 在這種情況下通常由此出發(fā)震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊本身以及所述電極布設(shè)在各自的可利用的頻率范圍中形成剛性的元件。目前出現(xiàn)一種趨勢(shì)，微機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率越來(lái)越高。這不僅是針對(duì)寬帶的應(yīng)用而且也針對(duì)諧振系統(tǒng)。除了已經(jīng)提及的用于采集聲發(fā)射的傳感器之外，在這里所列舉的其他示例還有微機(jī)械的用于高頻范圍的濾波器和混頻器。微機(jī)械系統(tǒng)例如通過(guò)表面和與表面相近的MEMS工藝中的干法腐蝕過(guò)程來(lái)制造。 如此制造的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)通常具有高深寬比(H A R，High Aspect Ration) 0在這種情況下， 為了使系統(tǒng)的橫向敏感度降至最低并同時(shí)提高使用方向的敏感度，通常要求有這樣一種高深寬t匕。上述類型的微機(jī)械系統(tǒng)的一種優(yōu)勢(shì)是，可以在晶片上進(jìn)行批處理并因此而降低制造費(fèi)用。在這方面，微機(jī)械系統(tǒng)的面積需求是一種顯著的費(fèi)用要素，因?yàn)樯倭康拿娣e需求就可以在晶片上實(shí)現(xiàn)較高的芯片一密度。另一方面，為了微機(jī)械系統(tǒng)或微機(jī)電系統(tǒng)的高的敏感度，常常需要大面積的電極或電極系統(tǒng)。為了能夠得到一種盡可能大的電極面積，在這里常常是在保持橫向尺寸不變的情況下通過(guò)安排豎直方向的結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大電極系統(tǒng)的表面，其中所述的術(shù)語(yǔ)“橫向”或“豎直方向”都與晶片一平面有關(guān)。借此產(chǎn)生例如分叉的電極結(jié)構(gòu)。但是在這種電極結(jié)構(gòu)中實(shí)際上存在一種危險(xiǎn)微機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率或微機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率會(huì)由于電極的大的震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊以及電極的懸架而降低。例如，當(dāng)電極具有一種所謂的交叉指式結(jié)構(gòu)并且電極的懸架是借助于梁式結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，就會(huì)涉及上述情況。
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一般情況下存在下述要求電極結(jié)構(gòu)本身具有特別高的剛性或特別高的固有頻率，以便排除對(duì)微機(jī)械系統(tǒng)的功能造成影響。使用實(shí)心的大面積的支架系統(tǒng)可以保證這一點(diǎn)。但是，這也會(huì)帶來(lái)不利之處相應(yīng)的大面積的支架系統(tǒng)需求的面積大并且因此會(huì)反作用于所述的用特別低的造價(jià)制造相應(yīng)的微機(jī)械系統(tǒng)的努力。雖然原則上可以考慮例如使得梁式結(jié)構(gòu)朝向電極的懸架變細(xì)，但是通常因此會(huì)造成所述結(jié)構(gòu)的剛性呈立方式降低，因此上述方案是不利的或者是不可行的。與此相反，按照上述的方案來(lái)加寬橫梁又會(huì)反作用于朝向較小的面積需求的努力。微機(jī)械系統(tǒng)的普遍縮小雖然會(huì)導(dǎo)致較高的固有頻率，但是不利之處在于，同時(shí)會(huì)造成微機(jī)械系統(tǒng)的敏感度降低。上述的方案和問(wèn)題也適合于微機(jī)械系統(tǒng)的其它的梁形元件，該梁形元件具有懸臂的部端而在其另一端部處連接在微機(jī)械系統(tǒng)的另一個(gè)元件上的。這也包括無(wú)源元件，例如屏蔽電極或者其它的呈梁形元件形式的、有一端懸掛在錨固點(diǎn)上的結(jié)構(gòu)。這里也要求所述結(jié)構(gòu)具有高的剛性，并且同時(shí)盡可能少地要求對(duì)于微機(jī)械系統(tǒng)的價(jià)格起至關(guān)重要的作用的硅表面。本發(fā)明的任務(wù)是，給出一種開(kāi)始所述類型的、在機(jī)械性能及制造費(fèi)用方面要特別有優(yōu)勢(shì)的微機(jī)械系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過(guò)帶有至少一個(gè)梁形元件的微機(jī)械系統(tǒng)來(lái)解決，所述梁形元件有一懸臂的或者說(shuō)未受支承的端部，而在其另一端部處連接著所述微機(jī)械系統(tǒng)的另一元件，其中在梁形元件中如此設(shè)有凹槽致使梁形元件的質(zhì)量朝著懸臂的端部減少。雖然由美國(guó)專利申請(qǐng)US 2007/0163346 Al已知，如此借助于凹槽來(lái)影響震動(dòng)感應(yīng)的質(zhì)量塊(seismische Masse)的頻率，使震動(dòng)感應(yīng)的質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)模式、即整個(gè)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)模式在其頻率上朝向較高的數(shù)值推移。US 2007/0163346 Al沒(méi)有提供如下建議為了提高微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的固有頻率，在梁形元件上如此設(shè)置凹槽，使梁形元件的質(zhì)量朝著懸臂的端部減少。根據(jù)本發(fā)明，規(guī)定在梁形元件中如此設(shè)置凹槽，致使梁形元件的質(zhì)量朝著懸臂的端部減少或者逐漸減少。這意味著，梁形元件的質(zhì)量分布不均勻，其中由于有凹槽，梁形元件的每個(gè)長(zhǎng)度單位的質(zhì)量在均值上朝著懸臂的端部減少或者逐漸減少。因此，梁形元件的質(zhì)量在懸臂的端部區(qū)域中比在另一端部區(qū)域中要小。在這種情況下，所述梁形元件有一側(cè)被懸掛起來(lái)或者說(shuō)有一側(cè)被支撐住，也就是說(shuō)，就像橋形接片一樣只有一個(gè)錨固點(diǎn)或固定點(diǎn)ο按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠淠軌蛟试S在敏感度保持不變和尺寸相同的情況下提高梁形元件的固有頻率，或者在固有頻率和敏感度保持不變的情況下減小梁形元件的尺寸。此外，根據(jù)各自的要求，原則上也可以進(jìn)行如下優(yōu)化，致使不僅是固有頻率得以提高而且尺寸也被減少?？梢岳缃柚诟煞ǜg工藝來(lái)制造根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)，該干法腐蝕工藝用于不同的與表面相近的工藝、HARM(High Aspect Ration Micromachining-高深寬比微加工)-工藝或表面工藝。按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件原則上可以是系統(tǒng)的任一有源或無(wú)源部件的組成部分。這不僅包括運(yùn)動(dòng)的部件也包括固定的部件。并且根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)尤其對(duì)那些為高頻率而設(shè)計(jì)的或承受高頻負(fù)載的系統(tǒng)是有利的。
根據(jù)按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的一種特別優(yōu)選的改進(jìn)方案，梁形元件是微機(jī)械系統(tǒng)的電極的組成部分。這樣會(huì)產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楦鶕?jù)先前的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，尤其是在微機(jī)械系統(tǒng)的電極中存在這樣的要求在面積需要很小的情況下同時(shí)具有高的剛性。根據(jù)另一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式，按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也可以是，微機(jī)械系統(tǒng)具有帶有震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊的振動(dòng)系統(tǒng)，并且梁形元件與震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊連接。這是有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)橛绕涫桥c振動(dòng)系統(tǒng)的震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊相連接的梁形元件承受高的機(jī)械負(fù)載。除此之外，還可以通過(guò)各梁形元件的固有頻率來(lái)避免對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的可利用的頻率范圍產(chǎn)生影響。提高元件的所述固有頻率并因此而提高元件的剛性，尤其是對(duì)這種微機(jī)械系統(tǒng)或者這種系統(tǒng)的梁形元件具有特別重要的意義。此時(shí)需要注意的是，固有頻率與剛性和質(zhì)量的商的方根呈現(xiàn)比例關(guān)系。原則上，梁形元件的凹槽可以是任意形式的。在此起到?jīng)Q定作用的是，對(duì)于凹槽如此進(jìn)行設(shè)置使得梁形元件的質(zhì)量朝著懸臂的端部減少。因此，根據(jù)按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的另一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式，所述凹槽可以呈通孔或盲孔形狀。原則上，按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)涉及任一種類型的微機(jī)械系統(tǒng)。因此所述微機(jī)械系統(tǒng)可以例如形成執(zhí)行器。根據(jù)一種特別優(yōu)選的改進(jìn)方案，按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)形成為傳感器。這是具有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)槲C(jī)械傳感器由于其相對(duì)低廉的價(jià)格以及其高的可靠性，所以越來(lái)越多地地被應(yīng)用到不同的應(yīng)用場(chǎng)合。根據(jù)另一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式，按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)形成的是用于采集聲發(fā)射信號(hào)的傳感器。其優(yōu)勢(shì)在于，用于采集聲發(fā)射(Acoustic Emission)的傳感器通常探測(cè)高于聽(tīng)力所能達(dá)到的聲頻范圍的振動(dòng)，即例如在超聲頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)。由于同時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械負(fù)載并且為了避免影響到測(cè)量，梁形元件在具備高剛性的同時(shí)還具有高的固有頻率就顯得特別重要。此外，本發(fā)明還涉及一種用于制造一種帶有至少一個(gè)梁形元件的微機(jī)械系統(tǒng)的方法。至于該方法，本發(fā)明的任務(wù)是，對(duì)于用來(lái)制作一種在機(jī)械性能和制造費(fèi)用方面特別有優(yōu)勢(shì)的、帶有至少一個(gè)梁形元件的微機(jī)械系統(tǒng)的一種方法進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過(guò)一種用于制作帶有至少一個(gè)梁形元件的微機(jī)械系統(tǒng)的方法來(lái)解決，該梁形元件具有懸臂的端部，并且在其另一端部處連接在微機(jī)械系統(tǒng)的另一元件上，其中a)在微機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程時(shí)在梁形元件的質(zhì)量元件中出現(xiàn)的機(jī)械負(fù)荷被確定，并且b)沒(méi)有或者只有相對(duì)微小地被加載的質(zhì)量元件借助于凹槽被從梁形元件移除。按照本發(fā)明的方法具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵摲椒ㄔ试S制造或開(kāi)發(fā)一種微機(jī)械系統(tǒng)，該系統(tǒng)的至少一個(gè)梁形元件在下述方面得以優(yōu)化在敏感度保持不變和尺寸相同的情況下提高梁形元件的固有頻率；或者在固有頻率或者敏感度保持不變的情況下減小梁形元件的尺寸。實(shí)施方式是，在微機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中在梁形元件的質(zhì)量元件中所出現(xiàn)的機(jī)械負(fù)荷被確定，并且沒(méi)有或者只有相對(duì)微小地被加載的質(zhì)量元件借助于凹槽被從梁形元件中移除。 借此可以保證，通過(guò)減少梁形元件的質(zhì)量來(lái)提高梁形元件的固有頻率，而同時(shí)使得微機(jī)械系統(tǒng)的剛性基本保持不變。
根據(jù)另一種特別優(yōu)選的改進(jìn)方案，可以如下實(shí)施按照本發(fā)明的方法重復(fù)實(shí)施所述方法步驟a)和b)。這樣一種重復(fù)操作有一定的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橥ǔＴ试S對(duì)微機(jī)械系統(tǒng)或者對(duì)微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件實(shí)現(xiàn)盡可能好的優(yōu)化。在這種情況下，優(yōu)選一直進(jìn)行重復(fù)，直至借此實(shí)現(xiàn)對(duì)梁形元件的機(jī)械性能的進(jìn)一步改進(jìn)。在這種情況中可以一方面如下進(jìn)行優(yōu)化使得梁形元件的固有頻率在敏感度基本上保持不變和尺寸相同的情況下得以提高；對(duì)此可以補(bǔ)充或者選擇的是還如此進(jìn)行一種優(yōu)化使得在固有頻率或者敏感度基本上保持不變的情況下減小梁形元件的尺寸。根據(jù)另一種特別優(yōu)選的改進(jìn)方案，按照本發(fā)明的方法也可以如此進(jìn)行，沒(méi)有或者只有相對(duì)微小地被加載的質(zhì)量元件如此借助于凹槽被從梁形元件中移除，從而使梁形元件的質(zhì)量朝著懸臂的端部減少。這種實(shí)施形式在如愿地提高微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的固有頻率方面特別有利。優(yōu)選的是，也可以如下地設(shè)置按照本發(fā)明的方法，使得在使用至少所述梁形元件的計(jì)算機(jī)輔助的模擬模型的情況下來(lái)確定在微機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中在梁形元件的質(zhì)量元件里所出現(xiàn)的機(jī)械負(fù)荷。這是有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)槭褂糜?jì)算機(jī)輔助的模擬模型可以對(duì)于微機(jī)械系統(tǒng)特別高效地并相對(duì)花費(fèi)較低地進(jìn)行優(yōu)化。原則上可以使用不同的、與相應(yīng)的優(yōu)化要求相關(guān)地在不同的技術(shù)領(lǐng)域中熟悉的方法來(lái)作為模擬模型。根據(jù)按照本發(fā)明的方法的一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式，使用根據(jù)有限單元法(F E M)的模型來(lái)作為模擬模型。這是具有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)檫@里所涉及的是在工程領(lǐng)域廣泛流行的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算方法。根據(jù)按照本發(fā)明的方法的另一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式，借助于等效應(yīng)力分析或者比較應(yīng)力分析來(lái)確定在微機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中在梁形元件的質(zhì)量元件里所出現(xiàn)的機(jī)械負(fù)荷。相應(yīng)的等效應(yīng)力分析常常應(yīng)用在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域，并且因此能夠費(fèi)用相對(duì)較低地優(yōu)選使用。優(yōu)選的是，也可以如下安排按照本發(fā)明的方法通過(guò)呈通孔或者盲孔形式構(gòu)造的凹槽把質(zhì)量元件從梁形元件中移除。以下將借助實(shí)施示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。為此附圖示出

圖1以一種示意性簡(jiǎn)略圖示出了微機(jī)械系統(tǒng)的傳統(tǒng)的梁形元件與按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的第一種實(shí)施形式的比較情況。圖2以一種示意性簡(jiǎn)略圖示出了按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的第二種實(shí)施形式。圖3以一種示意性簡(jiǎn)略圖示出了傳統(tǒng)的微機(jī)械系統(tǒng)的帶有以生產(chǎn)為條件的凹槽的梁形元件與按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的第三種實(shí)施形式的比較情況；以及圖4示出構(gòu)造為用來(lái)檢測(cè)聲發(fā)射的傳感器的按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)施示例。需要指出的是，圖中顯示的是各結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖1以一種示意性簡(jiǎn)略圖示出了微機(jī)械系統(tǒng)的傳統(tǒng)的梁形元件與按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的第一種實(shí)施形式的比較情況。一方面顯示傳統(tǒng)的微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件10。在這種情況下，該梁形元件10的長(zhǎng)度為1，寬度為b1;并具有懸臂的或者說(shuō)無(wú)支承的(freistehende)端部11以及另一端部12，該另一端部固定在微機(jī)械系統(tǒng)的另一元件。
為了能夠在保持其橫向尺寸的情況下提高梁形元件10的固有頻率，或者在固有頻率保持不變的情況下使其橫向延伸最小化，對(duì)微機(jī)械系統(tǒng)或梁形元件10進(jìn)行優(yōu)化處理是值得期待的。制作這樣一種在機(jī)械性能以及制造費(fèi)用方面達(dá)到最優(yōu)的微機(jī)械系統(tǒng)可以例如如下進(jìn)行，使得產(chǎn)生所述梁形元件10或整個(gè)微機(jī)械系統(tǒng)的一種有限單元法(F E M)—模型。 借助于在使用有限單元法時(shí)的分析，通過(guò)使用在市場(chǎng)上可以購(gòu)買到的相應(yīng)的軟件例如通過(guò)等效應(yīng)力(Equivalent Stress)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于在微機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中在梁形元件的質(zhì)量元件的內(nèi)部出現(xiàn)的機(jī)械負(fù)荷的計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行描述。沒(méi)有被加載的或者只是相對(duì)微小地被加載的質(zhì)量元件能夠借助于模擬模型中的凹槽被從結(jié)構(gòu)、即梁形元件10中移除。然后可以借助于一種迭代方法通過(guò)重復(fù)前述的方法步驟對(duì)微機(jī)械系統(tǒng)或其梁形元件10進(jìn)行優(yōu)化處理。在這里需要指出的是，微機(jī)械系統(tǒng)通常有多個(gè)或者說(shuō)許多相應(yīng)的梁形元件，其中可以根據(jù)對(duì)于微機(jī)械系統(tǒng)的一個(gè)、多個(gè)或全部的梁形元件的要求以及各自的情況來(lái)執(zhí)行所述的方法。因?yàn)橛糜谥圃煳C(jī)械系統(tǒng)通常使用的材料一硅在所應(yīng)用的工藝處理方面通常只能進(jìn)行二維掩模，因此需要進(jìn)行構(gòu)建，即，制作凹槽，優(yōu)選通過(guò)向深處進(jìn)行腐蝕。所述的方法可以實(shí)現(xiàn)下述情形梁形元件的質(zhì)量大幅減少，而梁形元件的剛性保持不變。在圖1中，相應(yīng)優(yōu)化的梁形元件20和30顯示在傳統(tǒng)梁形元件10的右側(cè)。除了懸臂的端部21或31和另一端部22或32，所顯示的梁形元件20或30具有凹槽23或33，這些凹槽的布設(shè)造成各梁形元件20或30的質(zhì)量朝著梁形元件20或30的懸臂的端部21或 31減少。由于這些凹槽23，梁形元件20與傳統(tǒng)的梁形元件10相比在寬度相同(Id2 = ID1)的情況下以優(yōu)選的方式具有更高的固有頻率。與此相對(duì)，梁形元件30的固有頻率與傳統(tǒng)的梁形元件10的固有頻率相比保持不變，但是梁形元件30的寬度b3明顯小于傳統(tǒng)的梁形元件 10的寬度Iv這導(dǎo)致了梁形元件30的面積需求很小，從而相應(yīng)地降低了微機(jī)械系統(tǒng)的制造成本。圖2顯示的是按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的第二種實(shí)施形式。從圖2中可以看出，按照本發(fā)明的梁形元件40或50可以在微機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行不同的任務(wù)。因此，具有懸臂的端部41、另一個(gè)端部42和凹槽43的梁形元件40本身就用作用于其它梁形元件 50的形式的其它功能群組的支撐結(jié)構(gòu)，該其它梁形元件50與所述梁形元件40連接。梁形元件50——對(duì)于該梁形元件來(lái)說(shuō)圖中只顯示出它的固定在梁形元件40上的端部52以及凹槽53的一部分——可以與此相反例如是微機(jī)械系統(tǒng)或微機(jī)電系統(tǒng)的電極的分支或者說(shuō)分叉。圖3以一種示意性簡(jiǎn)略圖示出了傳統(tǒng)的微機(jī)械系統(tǒng)的受到生產(chǎn)限定地帶有凹槽的梁形元件與按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的第三種實(shí)施形式所進(jìn)行的對(duì)比。在圖 3中位于左側(cè)的梁形元件60具有懸臂的端部61和另一端部62，該梁形元件60是傳統(tǒng)的梁形元件。由于用來(lái)制作梁形元件60所使用的工藝，凹槽63均勻地分布在梁形元件60的表面上。與此基本的區(qū)別在于，根據(jù)所顯示的按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)一為了便于觀看只顯示一部分一的實(shí)施形式的梁形元件70，80，90，100的凹槽如此布設(shè)將凹槽73，83，93，103 布設(shè)在梁形元件70，80，90，100中，使得梁形元件70，80，90，100的質(zhì)量朝向懸臂的端部71，
781，91，101減小。因此在圖3中可以看出，梁形元件70，80，90，100的質(zhì)量在懸臂的端部71， 81,91,101的區(qū)域中總是比在另一端部72,82,92,102的區(qū)域中要小。圖4顯示了一種構(gòu)造為用于探測(cè)聲發(fā)射的傳感器的按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)施示例。所述微機(jī)械系統(tǒng)200具有借助于彈簧系統(tǒng)202與固定的錨固點(diǎn)203連接的震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊(seismische Masse) 201。與微機(jī)械系統(tǒng)200的震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊201連接的是運(yùn)動(dòng)電極204，其梁形元件像交叉的手指一樣與固定電極205的梁形元件形成一種可變電容。在此，在圖4中舉例圖示了所述運(yùn)動(dòng)電極的梁形元件210中的一個(gè)梁形元件，其中，所述梁形元件210具有懸臂的端部211，與震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊201連接的另一個(gè)端部212以及凹槽213。除了運(yùn)動(dòng)電極204和固定電極205之外，在圖4中還可以看出一種屏蔽電極206。例如，由于機(jī)械部件——也就是說(shuō)例如一種滾動(dòng)軸承一一的磨損而出現(xiàn)的并且以固體聲傳播的聲發(fā)射就引起了所述震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊201以及運(yùn)動(dòng)電極204相對(duì)于固定的或者說(shuō)穩(wěn)固的電極205的水平振動(dòng)，即，沿通常的χ方向指向的振動(dòng)。由此造成電容變化，所述電容變化通過(guò)用來(lái)對(duì)于聲發(fā)射進(jìn)行探測(cè)的、微機(jī)械系統(tǒng)200形式的傳感器(AE(Acoustic Emission-聲發(fā)射)傳感器)來(lái)采集，并且被用于測(cè)量所述聲發(fā)射。為了在電極的剛性幾乎保持不變并且使其敏感度相同的情況下使運(yùn)動(dòng)電極204 的梁形元件210、固定電極205以及屏蔽電極206達(dá)到盡可能高的固有頻率，運(yùn)動(dòng)電極204、 固定電極205以及屏蔽電極206如圖1至圖3所示各自具有凹槽213，這些凹槽的布設(shè)方式造成各梁形元件210的質(zhì)量朝著其懸臂的端部減少。與圖4所示相應(yīng)，所顯示的微機(jī)械系統(tǒng)200在這種情況下有許多相應(yīng)地優(yōu)化處理的梁形元件，這些梁形元件根據(jù)上述的實(shí)施形式在微機(jī)械系統(tǒng)200內(nèi)部執(zhí)行不同的功能。需要指出的是，在圖示的實(shí)施示例中，各梁形元件的凹槽呈矩形，這只是一種舉例；然而，原則上凹槽的形狀可以任選。根據(jù)上述的實(shí)施示例，按照本發(fā)明的微機(jī)械系統(tǒng)以及按照本發(fā)明的方法具有的優(yōu)勢(shì)是，可以提供制作成本低并且同時(shí)具有高敏感度以及高固有頻率的微機(jī)械系統(tǒng)，其中微機(jī)械系統(tǒng)的梁形元件的剛性幾乎保持不變。因此，從微機(jī)械系統(tǒng)的傳統(tǒng)的實(shí)施形式出發(fā)，一方面可以實(shí)現(xiàn)在敏感度保持不變以及尺寸相同的的情況下提高所述梁形元件的固有頻率。 也可以選擇或者對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)充的是，減小梁形元件的尺寸，從而可以在固有頻率或者敏感度保持不變的情況下減小整個(gè)微機(jī)械系統(tǒng)的尺寸。
權(quán)利要求
1.帶有至少一個(gè)梁形元件O10)的微機(jī)械系統(tǒng)000)，該梁形元件具有懸臂的端部 011)，并且在其另一端部(21 處連接著所述微機(jī)械系統(tǒng)(200)的另一元件，其特征在于， 在梁形元件(210)中如此設(shè)有凹槽013)，使得所述梁形元件(210)的質(zhì)量朝著懸臂的端部 (211)減少。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于，梁形元件(210)是微機(jī)械系統(tǒng) (210)的電極(204)的組成部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于，微機(jī)械系統(tǒng)(200)具有帶震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊O01)的振動(dòng)系統(tǒng)，并且梁形元件(210)與震動(dòng)感應(yīng)質(zhì)量塊(201)連接。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于，凹槽(213)可以構(gòu)造為通孔或盲孔。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于，微機(jī)械系統(tǒng)(200)構(gòu)成為傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于，微機(jī)械系統(tǒng)(200)構(gòu)成用于采集聲發(fā)射信號(hào)的傳感器。
7.用于制作帶有至少一個(gè)梁形元件O10)的微機(jī)械系統(tǒng)Q00)的方法，該梁形元件具有懸臂的端部011)，并且在另一端部(212)處連接著所述微機(jī)械系統(tǒng)O00)的另一個(gè)元件，其中，a)在微機(jī)械系統(tǒng)(200)運(yùn)行過(guò)程中在梁形元件(210)的質(zhì)量元件內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)械負(fù)荷被確定，并且b)沒(méi)有或者只有相對(duì)微小地被加載的質(zhì)量元件借助于凹槽(21 被從梁形元件(210) 中移除。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，c)重復(fù)地實(shí)施步驟a)和b)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述沒(méi)有或者只有相對(duì)微小地被加載的質(zhì)量元件如此借助凹槽(21 被從梁形元件(210)移除使得梁形元件O10)的質(zhì)量朝著懸臂的端部(211)減少。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在使用至少所述梁形元件 (210)的計(jì)算機(jī)輔助的模擬模型的情況下來(lái)確定在微機(jī)械系統(tǒng)(200)運(yùn)行過(guò)程中在梁形元件O10)的質(zhì)量元件里所出現(xiàn)的機(jī)械負(fù)荷。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，使用根據(jù)有限單元法的模型來(lái)作為模擬模型。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，借助于一種比較應(yīng)力分析來(lái)確定在微機(jī)械系統(tǒng)(200)運(yùn)行過(guò)程中在梁形元件O10)的質(zhì)量元件里所出現(xiàn)的機(jī)械負(fù)荷。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，構(gòu)造為通孔或者盲孔的凹槽(21 形式的質(zhì)量元件被從梁形元件O10)中移除。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有至少一個(gè)梁形元件(210)的微機(jī)械系統(tǒng)(200)，該梁形元件具有一懸臂的端部(211)，并且在其另一端部(212)處連接在微機(jī)械系統(tǒng)(200)的另一個(gè)元件上。在這種情況下，按照本發(fā)明，為了優(yōu)化所述微機(jī)械系統(tǒng)(200)的機(jī)械性能，在梁形元件(210)中如此設(shè)置凹槽(213)，使得所述梁形元件的質(zhì)量朝著懸臂的端部(211)減少。此外，本發(fā)明還包括用于制造一種帶有至少一個(gè)梁形元件(210)的微機(jī)械系統(tǒng)(200)的方法。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102378732SQ200980158528
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者D·沙伊布納, M·迪內(nèi)爾, R·?？?申請(qǐng)人:西門子公司