微机械结构的制作方法

本发明涉及一种微机械结构。另外，本发明涉及一种用于制造微机械结构的方法。

背景技术：

现今，微型机电系统(英文micro electro mechanical systems MEMS)广泛应用在非常多的产品(例如汽车领域中的惯性传感器)中。在这种系统中，主要由硅制造的精工机械结构与高精密电子电路组合，以便以微型化的方式实现不同的功能。

在上述MEMS系统中常使用运动的或者遭受机械应力的结构。在此，在传感器应用中从结构的振动、形式、位置等得出各种不同的测量参数(例如加速度、旋转速率、压力等)。在促动器应用中，上述特性用于影响周围环境。

为了能够实现所述功能，所述结构必须是可机械变形的。但是，可变形的结构通常既可能经历有意的又可能经历无意的变形和振动。有意的变形和振动对于该功能来说是必要的，其中，无意的变形和振动由于物理原因而产生。

避免、减少或者调节有意和无意变形的特征及振动的特征可能是开发费用的重要部分。在此必须考虑硅的机械特性，其中，硅在机械方面可非常好地应变，但仅具有非常小的固有阻尼。因此重要的是，减少或减振无意的变形和振动，以此尽可能不影响设定的功能性。

上述变形和振动的优化可以通过不同的技术手段来进行。例如从DE 10 2009 045 541 A1中已知，为此目的设置机械止挡。然而，机械止挡仅沿一定方向并且仅在临界振幅的情况下才起作用，但对系统施加重要影响，这可能损害功能。

此外已知，为此目的使用介质(气体、蒸汽、液体等)(参见例如史蒂芬.特里，“具有内置阻尼的微型硅加速度计”，固态传感器和促动器研讨，技术文摘，1988，美国希尔顿黑德岛，114-116页：Stephen Terry,"A miniature silicon accelerometer with built-in damping",Solid State Sensor and Actor Workshop,Technical Digest,1988,Hilton Head Island,U.S.A.,Seiten 114-116)。然而，介质在非临界振幅时也是有效的，由此仅能够限制地实现对无意振动模式的选择式阻尼。

此外，为此目的使用用于激励微机械结构的电场和/或磁场(参见例如马丁.汉德曼，“借助于电容信号转换和力反馈的微型机电系统(MEMS)动态调节”，慕尼黑工业大学博士论文，2002年，Martin Handtmann"Dynamische Regelung mikroelektromechanischer Systeme(MEMS)mit Hilfe kapazitiver Signalwandlung und Kraftrückkopplung,Dissertation TU München,2002)。这些场可以高精度地控制变形和振动，但仅沿一定方向起作用，其中，需要大面积的固定的结构。

对振动的控制需要将能量导出。在此，能量在止挡的情况下通过机械变形、在上述介质的情况下通过流动损失和在上述场的情况下通过反向场来耗散能量。

在所谓的“能量-收获”中也提出一种能量耗散(参见例如W.j.Choi,Y.Jeon,J.-H.Jeon,R.Sood,S.G.Kim“基于薄膜压电悬臂的能量收获MEMS设备”，电子陶瓷杂志，2006年，543-548页，W.J.Choi,Y.Jeon,J.-H.Jeon,R.Sood,S.G.Kim,"Energy harvesting MEMS device based on thin film piezoelectric cantilevers",Journal of Electroceramics,2006,Seiten 543-548)。在那里提出的设备中，电能从有针对性产生的振动中产生。

当例如结构的过载、疲劳、非线性、不可逆的错位等实现了不希望的作用时，在没有所述方法的情况下，在系统中可能会出现故障。

技术实现要素：

因此本发明的任务是，提供一种用于微机械结构的限定减振的改进装置。

根据第一方面，该任务借助微机械结构来解决，该微机械结构具有：

-至少一个可弹性变形的第一区域，该区域至少区段地具有限定地压

电掺杂的第二区域；

-至少一个第四区域，可将在第二区域中产生的电荷导出到该区域中；和

-至少一个与第二和第四区域电连接的第三区域，在该区域中，流过的电流可转换成热能。

通过根据本发明的微机械结构能够有利地将能量与微机械结构的寄生振动脱耦。电能由振动元件的振动能量产生，该振动能量从机械能中被减除并且被转换成热能，由此可以较快地无损害地进行。结果，以这种方式可以减振机械运动。所述效果可以通过在机械结构的选出的区域中有目的地掺杂来执行。

根据第二方面，该任务借助用于制造一种微机械结构的方法来解决，该方法具有如下步骤：

a)构造至少一个可弹性变形的第一区域；

b)在第二区域中，至少区段地压电掺杂第一区域；

c)导电掺杂至少一个第三区域；

d)构造第四区域，在第二区域内产生电荷可导出到该区域中；和

e)电连接第二、第三和第四区域。

微机械结构或方法的优选实施方式是从属权利要求的主题。

微机械结构的实施方式的特征在于，第三区域可导电地掺杂使其具有限定的欧姆电阻值。以这种方式可实现流过的电流可转换成热能的结构。

微机械结构的另一个实施方式的特征在于，第四区域具有限定的电容。以这种方式可以实现电流从作为源极作用的、产生电荷的第二区域流到作为漏极作用的、来自源极的电荷流到其中的第四区域，由此，在欧姆掺杂的第三区域中，电荷的能量可转换成热能。以这种方式，在第二和第四区域都可以产生电荷，由此可实现穿过第三区域的交变电流，并且以此支持了改进的减振作用。

微机械结构的一个实施方式的特征在于，第二区域和第四区域是压电掺杂的并且至少部分地布置在可弹性变形的第一区域中。以这种方式可支持增大的电压和由此引起的穿过第三区域的增强的交变电流和以此改进的减振作用。

微机械结构的另一个优选实施方式的特征在于，第二区域和第四区域是压电掺杂的并且至少部分地分别布置在可不同变形的第一区域中。以这种方式可支持微机械结构的设计多样性。

微机械结构的一个有利扩展方案设置，第二和第四区域是压电掺杂的并且这样定位，使得由机械应力在第二和第四区域中产生的电荷具有相反的符号。以这种方式也可支持穿过第三区域的良好的电流，并且以此支持结构的良好的减振作用。此外，由此可实现这些区域的多样化组合。例如，由此能够实现连接第二压电掺杂区域的、空间构造的电阻。

结构的一个有利扩展方案设置，第二、第三和第四区域至少是部分重叠地构造。以这种方式实现了能够在电荷源极和电荷漏极之间实现电流的导线结构。

结构的一个实施方式的特征在于，区域的电连接具有可导电掺杂的导体线路结构。以这种方式可以将电能量以限定的方式从产生区域经过欧姆掺杂的区域导出到电荷漏极区域。

结构的另一个实施方式的特征在于，第三区域空间分布地构造。以这种方式实现了电阻区域的特定构造，该构造可支持节省空间地将电能转换成热能。

微机械结构的另一个实施方式的特征在于，第三区域的电阻值与下面参数中的至少一个有关：温度、振幅、振动相位、振动速度、电磁场的大小、外部控制信号。由此有利地实现了与不同参数有关的欧姆掺杂的第二区域的功能方式。以这种方式可有利地支持微机械结构的设计多样性。

微机械结构的另一个实施方式设置，第三区域与其他区域连接的电路结构这样构造，使得其导电性与下面参数中的至少一个有关：温度、振幅、振动相位、振动速度、电磁场的大小、外部控制信号。以这种方式也可有利地支持确定能量转换的大小。

微机械结构的另一个实施方式设置，设置与第三区域电连接的控制装置，其开关阈与下面参数中的至少一个有关：温度、振幅、振动相位、振动速度、电磁场的大小、外部控制信号。以这种方式可有利地支持确定可振动的第一区域的机械振动能量的减振大小。

附图说明

下面根据多个附图以其他优点和特征详细说明本发明。在此，所有特征独立于在说明书中和附图中的视图或者独立于权利要求书中的引用地形成本发明的主题。相同的或者功能相同的元件设置相同的参考标记。附图尤其为了原理上理解本发明而被考虑，并且不必按正确比例示出。

在图中示出：

图1微机械结构的作用方式的原理示图；

图2根据本发明的微机械结构的第一实施方式；

图3和4通过根据本发明的微机械结构产生电荷的原理示图；

图5至8微机械结构的其他实施方式；

图9具有微机械结构的微型机械组件的方框图；

图10根据本发明方法的实施方式的原理流程图。

具体实施方式

本发明的基本构思在于，使微机械结构的硅基底材料的限定区域在制造过程期间有目的地掺杂以外来材料，以此在上述区域中实现压电特性。通过压电能量转换，存储在微机械结构的已变形或者说振动的区域中的机械应力可以转换成电荷。

产生的电荷首先留在其形成地点上，并且只要它们没有被导出，那么就没有用于振动的减振。如果已变形的或者说振动的结构返回到基本位置中，那么电荷与机械应力一起消失。如果电荷从其产生的地点被导出，那么可实现限定的能量耗散或者从机械振动能量到电能量的转换。

产生的电荷的导出原则上可以通过有目的地掺杂到基底材料中的导线来进行。这些导线可以将受到机械负荷的不同部位相互电连接，以便进行电荷交换。机械应力可以根据方向(压或拉)和掺杂种类(正或负)产生相反的电荷。这些电荷的交换改变了原来无掺杂结构的特性，因而能在其机械阻尼特性或振动特性方面进行优化。结果，以这种方式可以在阻尼技术方面优化整个结构。

图1原理上示出根据本发明的微机械结构100的功能原理，该结构是可压电阻尼的。可看到可弹性变形的第一区域10(例如弹簧)，其中第一区域10具有压电掺杂的第二区域10a。具有第二区域10a的第一区域10在功能上与第三区域20共同作用，该第三区域构造成欧姆掺杂的区域，并且以这种方式实现欧姆电阻的功能性。第四区域30是电荷漏极，在第二区域10a中产生的电荷导出到该漏极。

在此，第四区域30可以优选具有限定的电容，并且以这种方式在功能上实现一种电容器。替代地，第四区域30也可以构造成接地端。由于从第二区域10a的电荷源极流到第四区域30的电荷漏极的电荷，一电流流过第三区域20，由此电流在第三区域20内转换成热能，由此减小或者减振可弹性变形的第一区域10的振动动能。结果，由此提供了一种压电减振的微机械结构100。

虽然在图1中示出的机械结构100分别仅具有一个第一区域10、一个第二区域10a、一个第三区域20和一个第四区域30，当然还可以考虑，结构100也可以分别具有多个上述区域10、10a、20、30。

原则上设置，第二区域10a是压电掺杂的并且空间上至少部分布置在可变形的第一区域10上或第一区域中。此外，基本结构特征在于，第三区域20可导电地掺杂使其具有限定的欧姆电阻值。这种方式形成一个电阻，在该电阻中，产生的电荷能量可以限定地转换成热能。此外，基本结构100的特征在于，第三区域20与代表电荷源极和电荷漏极的第二和第四区域10a、30电连接。

因此，根据本发明的系统原理上是一种振荡电流回路，在该振荡电路中产生电载流子，在该电载流子中电流从自由的载流子中产生，该电流在电阻元件中以限定的方式转换成热能。

为了使用电荷，原理上可提供下面阐述的多个可能性。

被动减振

如果微机械结构的遭受拉应力和压应力的区域具有压电特性，那么在这种应力的情况下产生电荷。如果两个以相反极性带电的部位通过电阻连接的话，那么产生电流，该电流在电阻中转换成热能。在这里，“相反极性”应理解为不同的第二区域10a，在这些区域中在机械应力加载到区域10a上的情况下产生以电子或者空穴形式的自由载流子。因此，电流将振动结构的一定程度的机械能导出掉，以便以这种方式减振不希望的振动。

图2示出了具有质量1、以弹簧形式构造的可变形的弹性第一区域10和衔铁2的微机械结构100的立体图。在此，弹簧形成了一个可振动的弹性系统，该系统可以机械伸长或收缩。图1通过该质量1上面的双箭头表示：质量1沿哪些方向例如是可运动的，以便以此加载弹簧。在第一区域10内可看到两个第二区域10a、10b，它们是限定地压电掺杂的。为了更好地理解，区域10a、10b是三维立体的并且可选择地被示出，然而这些区域在实际中完整地布置在弹簧内。压电掺杂区域10a通过“R”标明，以此表示，区域10a布置在结构100的右侧。此外，区域10b通过“L”标明，以此表示，区域10b布置在微机械结构100的左侧。

制造压电掺杂的第二区域10a、10b可以这样进行，即区域10a、10b在制造结构100期间例如遭受限定的离子束。因此，由于压电掺杂可以在弹簧变形或振动时在区域10a、10b中产生电荷。两个区域10a、10b在图1的变型方案中空间上相互分开，然而也可以考虑，例如由于制造方法的公差，两个区域10a、10b在功能和结构上相互连接在至少一个区段上，结果，由此实现了唯一的压电掺杂区域(未示出)。由此可以有利地考虑过程扩散，使得当两个第二区域10a、10b不是结构上相互分开时才存在起作用的结构。

图3原理上示出了在第二区域10a、10b中产生电荷的作用方式。可看到，在质量1和以此第一区域向右偏转时，第一区域10的右侧被压紧，并且因此在第一区域10的右侧在区域10a中产生正电荷(“R ”)或者空穴。与此相似，在上述运动时第一区域10的左侧或者说区域10b被压紧，并且结果，在区域10b中在弹簧左侧产生负电荷(“L-”)或者说电子。根据掺杂自然也可能通过压紧弹簧右侧产生负电荷，并且通过压紧弹簧左侧产生正电荷。

图4表示，质量1或者说第一区域10的向左运动在区域10b中在弹簧左侧产生正电荷(“L ”)，并且在弹簧右侧产生负电荷(“R-”)。

图5以原理的方式示出，通过在绝缘的基底材料中合适地可导电掺杂，第三区域20可以在微机械结构100内构造成具有限定电阻值的欧姆电阻。因此，第三区域20代表一种将第一区域10的振动能量转换成热能的转换器。此外，通过在结构100内合适地可导电掺杂可以产生用于输送电荷或电流的导体线路50。

在第二区域10a、10b中产生的电荷通过导体线路50输入第三区域20的电阻元件，其中，流过电阻20的电流转换成热能。图5示出，第三区域20的电阻元件的可能构型方案在于，电阻以分离的、空间紧凑地限制的方式构造。替代地也能够构造分布在第二区域10a、10b之间的电阻，其中，在这种情况下，电荷不必限定地从第二区域10a、10b中导出，如在图6中原理上示出的那样。

在图6中示出，第三区域20的电阻元件也与压电掺杂的第一区域10的第二区域10a、10b重叠地布置。

替代地也能够不与压电掺杂的第二区域10a、10b重叠地将第三区域20构造成分布电阻。结果，由此实现了压电掺杂区域10a、10b和第三区域20的“三明治式构造”(未示出)。

借助图5和6的微机械结构100的实施方式能够以恒定的强度来减振结构100的振动。

有目的的减振

如描述的那样，在运动或振动的结构100中可能出现有意和无意的振动图。如果电荷产生的示意图是在有意振动和无意振动时不同地构造，那么存在这种可能性，即在减振时要考虑这些差别。例如，这可以借助合适地设计的电路实现，有意的振动保持不受干扰，其中减振寄生的振荡图。

图7示出一种微机械结构100的为此目构造的另一个实施方式。可看到，除了上区域10a和10b还构造其它压电掺杂的下区域11a和11b，这些下区域左右布置在第一区域10内。

例如能够以第二区域10a、10b、11a、11b的这种布置来设置，质量1和以此的弹簧向左和向右的运动被减振，然而，质量1和以此的弹簧向上和向下的运动基本上不被减振。

通过图7的掺杂区域，第一区域10的振动可以沿垂直和水平方向产生电荷，这些电荷可以相应地被导出。例如可考虑，在质量1向右运动时，右侧第二区域10a、11a产生正电荷，而左侧第二区域10b、11b产生负电荷。

在质量1或弹簧10水平振动时，上面的第二区域10a、10b产生正电荷，而下面的第二区域11a、11b产生负电荷。

专业人员可看到，通过第一区域10的硅-基底材料的合适的压电掺杂可将多样化的弹簧运动模式限定地转换成电荷。

因此在设计这种电路时设置不同的掺杂是有帮助的：这些区域在压应力情况下产生正电荷，而这些区域在拉应力的情况下产生负电荷。此外，第三区域20的电阻元件也可以在这种情况下选择式地以对中或分布的形式来布置。

结果，由此可以由不同电荷产生电流，使得借助前述电阻或导线的构造能够以限定的方式将不希望的机械振动功率转换成热能。

接通的减振

如果仅应减振高于确定临界振幅的振动，那么有利地还存在这样的可能性，即以接通的实施方式来设计减振。为此，优选需要限定电子开关阈(例如通过以电子半导体二极管形式的控制装置40或控制元件来限定)。低于所述门限，电荷不导出到第三区域20的电阻上。只有当电压超过开关阈的限定的界限时，电荷才导出到第三区域的电阻上。在这种情况下，二极管完全接通并且允许所有电荷通过，直到电压改变了符号并且开关阈再次被建立为止。

图8表示具有以二极管形式的两个控制装置40的这种接通减振，其中，二极管通过微机械结构100的合适掺杂来构造。对于该变型方案来说，第三区域20的电阻优选构造成对中元件。

调节的减振

如果也应减振更复杂类型的振动，或者如果减振额定值与其他振动或其他参数有关，那么存在这种可能性，即通过电子开关(例如以晶体管、微控制器、ASIC(集成电路)等形式的未示出的电子开关，)可接通或者可控制地构型开关阈。借助该方法也可以有利地构造复杂的电路，这些电路或由本身或借助例如外部控制装置(未示出)来实现不同的、并行作用的减振示意图。以这种方式可有利地实现，在第二区域10a、10b中产生的电荷的符号在其他不同区域中操控减振。

根据另一变型方案(在图中未示出)，根据需要也可以构造大小不同的第三元件或电阻20。

有利地可能的是，控制装置40、导体线路50的特性和第三区域20的电阻值与下面参数中的至少一个有关：温度、振幅、振动相位、振动速度、电磁场的大小、结构100的其他振动特征、控制装置40的计算求得的控制信号等。

可看到，本发明的具体实现形式是多样化的，使得微机械结构100的前述实施方式仅视作示例性的。

图9示出具有微机械结构100的微型机械组件200的方框图。微型机械组件200可以构造成微型机械惯性传感器(例如加速度传感器、转动速率传感器、压力传感器、力传感器等)。

图10原理上示出根据本发明的方法的一个实施方式的流程图；

在第一步骤S1中构造至少一个可弹性变形的第一区域10。

在第二步骤S2中，在第二区域10a中至少区段地执行第一区域10的限定的压电掺杂。

在第三步骤S3中执行至少一个第三区域20的导电掺杂。

在第四步骤S4中构造第四区域30，可在第二区域10a中产生的电荷可导出到该区域中。

最后在第五步骤S5中执行第二、第三和第四区域10a、20、30电连接。

当然也可考虑将上述步骤S1至S5的流程任意互换。

总而言之，借助本发明提供一种用于将机械振动能量限定地转换成电能或热能的设备和方法。通过微机械结构的有目的地掺杂的区域可以通过将振动的机械能转换成电能、紧接着转换成热能、由此被消散的方式来产生允许减振无意振动的特性。结果，以这种方式有效地减振或减少了机械振动能量，因而可以发挥明显更小损害的作用。

专业人员在不偏离本发明的核心的情况下也将首先实现未公开或者仅部分公开的实施方式或者相互组合这些实施方式。