(57)【要約】  本発明は、マイクロメカニカル構造体（１）、特にセンサ又はアクチュエータであって、少なくとも２つの相対的に移動可能な構造体区分（６，７，８，９）によって画成された少なくとも１つの作業間隙（４，５）と、該作業間隙（４，５）を調節する手段とが設けられている形式のものに関する。このような形式のマイクロメカニカル構造体において、本発明の構成では、前記手段は、マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に基準点に対して位置固定の少なくとも１つの構造体区分（６，７）が、運転時に基準点に対して可動の構造体区分（８，９）に対して移動することによって、作業間隙（４，５）を拡大するように、形成されている。本発明はさらに、作業間隙を調節する方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロメカニカル構造体、特にセンサ又はアクチュエータであって、少なくとも２つの相対的に移動可能な構造体区分（６，７，８，９）によって画成された少なくとも１つの作業間隙（４，５）と、該作業間隙（４，５）を調節する手段とが設けられている形式のものにおいて、
前記手段は、マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に基準点に対して位置固定の少なくとも１つの構造体区分（６，７）が、運転時に基準点に対して可動の構造体区分（８，９）に対して移動することによって、作業間隙（４，５）を拡大するように、形成されていることを特徴とするマイクロメカニカル構造体。
【請求項２】
前記手段は、作業間隙（４，５）が少なくとも２つの箇所において異なった間隙幅をもって拡大するように、形成されている、請求項１記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項３】
前記手段は、作業間隙（４，５）を１次元的又は２次元的に拡大させるように形成されている、請求項１又は２記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項４】
前記手段は、静電力の発生によって作業間隙（４，５）を拡大させるように形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項５】
前記手段は、作業間隙（４，５）を少なくとも１つのばね、特に被覆されたばねを用いて拡大させるように形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項６】
前記手段は、少なくとも１つの補助間隙（１４，１５）を狭めることによって作業間隙（４，５）を拡大させるように形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項７】
作業間隙（４，５）を画成する構造体区分（６，７，８，９）が櫛歯状に形成されており、マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に位置固定の構造体区分（６，７）が、前記手段によって、運転中に移動可能な構造体区分から離れるように可動である、請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項８】
作業間隙（４，５）が、運転時に位置固定の少なくとも１つの構造体区分（６，７）を取り囲む間隙として形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項９】
作業間隙（４，５）が、マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に位置固定の複数の構造体区分（６，７）の平行移動によって、拡大可能である、請求項１から８までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１０】
マイクロメカニカル構造体（１）、特にセンサ又はアクチュエータの、相対的に移動可能な少なくとも２つの構造体区分（６，７，８，９）によって画成された作業間隙（４，５）を調節する方法であって、
マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に基準点に対して位置固定の少なくとも１つの構造体区分（６，７）が、基準点に対して可動の構造体区分（８，９）に対して移動することによって、作業間隙（４，５）を拡大させることを特徴とする、マイクロメカニカル構造体の作業間隙を調節する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載のマイクロメカニカル構造体と、請求項１０の上位概念部に記載の、マイクロメカニカル構造体の作業間隙幅を調節する方法とに関する。
【０００２】
すなわち本発明は、マイクロメカニカル構造体、特にセンサ又はアクチュエータであって、少なくとも２つの相対的に移動可能な構造体区分によって画成された少なくとも１つの作業間隙と、該作業間隙を調節する手段とが設けられている形式のものに関する。本発明はまた、マイクロメカニカル構造体、特にセンサ又はアクチュエータの、相対的に移動可能な少なくとも２つの構造体区分によって画成された作業間隙を調節する方法に関する。
【０００３】
マイクロシステム技術における多数の使用形式のために、半導体基板において、高いアスペクト比をもつ作業間隙、つまり間隙深さと間隙幅との比が大きい作業間隙を実現することが必要である。ＵＳ６１３６６３０及びＤＥ１９８５２８７８に基づいて、アスペクト比を増大する解決策が公知である。
【０００４】
ＷＯ０３／０４３１８９には、マイクロメカニカル構造体を備えたマイクロメカニカル式の共振器が開示されている。この公知の共振器では電界の形成によって、可動の構造体エレメントが位置固定の構造体エレメントに対して作業間隙幅を縮小するために予負荷される。
【０００５】
ＤＥ１０２００４０５３１０３Ａ１に基づいて、間隙幅を少なくとも１つのばねの使用によって縮小することが公知であり、この場合ばねは緊張箇所に固定されていて、内部応力を有しており、この内部応力はばねの基本材料の被覆に基づいて生ぜしめられ、かつ間隙幅を最小化するために解放されて、ばね長さを変化させる。
【０００６】
プロセス条件的に小さくかつ均一な作業間隙幅が設けられている、マイクロメカニック式のセンサ又はアクチュエータでは、主として２つの難点がある。例えば櫛歯形の駆動装置として形成されたマイクロメカニカル構造体では、均一な間隙幅においては、直線的でない特性、ひいては不安定な特性が観察される。さらに、極めて狭い間隙幅を有する公知のセンサ及びアクチュエータには、加速度センサ及びヨーレートセンサにおいて単に１つの僅かな機械的な作業振幅しか得ることができない、という問題がある。
【０００７】
発明の開示
技術的な課題
ゆえに本発明の課題は、大きな機械的な作業振幅を実現することができるマイクロメカニカル構造体を提供することである。さらに本発明の別の課題は、作業振幅を増大させるために相応に最適化された方法を提供することである。
【０００８】
課題を解決するための手段
前記課題は、請求項１の特徴部に記載されたマイクロメカニカル構造体及び請求項１０の特徴部に記載された方法によって解決される。
【０００９】
すなわち本発明による構成では、冒頭に述べた形式のマイクロメカニカル構造体において、作業間隙を調節する手段は、マイクロメカニカル構造体の運転中に基準点に対して位置固定の少なくとも１つの構造体区分が、運転時に基準点に対して可動の構造体区分に対して移動することによって、作業間隙を拡大するように、形成されている。また本発明による方法では、マイクロメカニカル構造体の運転中に基準点に対して位置固定の少なくとも１つの構造体区分が、基準点に対して可動の構造体区分に対して移動することによって、作業間隙を拡大させるようにした。
【００１０】
本発明の別の有利な構成は、従属請求項に記載されている。また、明細書、特許請求の範囲及び図面に開示された少なくとも２つの特徴を組み合わせた構成も本発明の枠内にある。繰り返しを避けるために、方法の発明に関して記載した特徴は、装置の発明に対しても言えることとし、同様に装置の発明に関して記載した特徴は、方法の発明に対しても言えることとする。
【００１１】
本発明は下記の思想、すなわち作業間隙（作業溝）を、従来技術におけるように半導体材料に作業間隙を特にエッチングプロセスによって形成した後で縮小化するのではなく、その代わりに間隙幅を適宜な手段によって拡大するようにした、マイクロメカニカル構造体を提供する、という思想に基づいている。この場合本発明のコンセプトに基づいて形成されたマイクロメカニカル構造体では、マイクロメカニカル構造体の運転中に、基準点に対して位置固定の（半導体）構造体区分が、基準点に対して移動可能な（半導体）構造体区分に対して移動させられる。これによって、特に加速度センサ及びヨーレートセンサでは、しかしながらアクチュエータでも、大きな機械的な作業振幅を実現することができる。また、後で詳しく述べるように、マイクロメカニカル構造体の相応な構成では、不均一な間隙幅を実現することによって、特に櫛歯状に構造化された相応なアクチュエータ又はセンサの直線的な特性を実現することが可能である。基準点は可動に配置されることも、位置固定に配置されることもできる。有利には基準点は、本発明によるマイクロメカニカル構造体を備えた装置の構成部分である。例えば基準点は、センサハウジングに対して相対的に回転可能に支承された、回転フレームセンサ（Drehrahmensensor）のフレームによって形成されることができる。
【００１２】
つまり本発明の核心は、マイクロメカニカル構造体において機能に関して重要な作業間隙を、間隙形成後に増大させることである。作業間隙というのは本発明では、アクチュエータとして働くマイクロメカニカル構造体において、可動の（アクティブに移動可能な）構造体区分が移動時にその中に進入する間隙のことを意味する。センサでは作業間隙というのは、構造体区分によって画成されていて、これらの構造体区分の間に電気的な容量が測定される間隙のことを意味する。この場合容量は、位置固定の構造体区分に向かって移動可能な構造体区分が移動するによって作業間隙が小さくなる際に、増大する。
【００１３】
本発明の別の有利な構成では、前記手段、つまり作業間隙を調節する手段は、作業間隙が不均一な間隙幅を有するように作業間隙を拡大させるようになっている。言い換えれば、作業間隙の少なくとも部分的な幅拡大によって、作業間隙の少なくとも２つの異なった箇所において異なった間隙幅が実現され、ひいては直線的な特性が実現される。この場合櫛歯状のマイクロメカニカル構造体、つまり櫛歯状駆動装置では、該櫛歯状駆動装置の長手方向に延びる作業間隙区分は、櫛歯状駆動装置の長手方向に対して直角に延びる作業間隙区分よりも、（該長手方向に対して直角な方向で）幅広である。
【００１４】
極めて単純な構成では、作業間隙は単に１次元的に、つまりただ１つの方向への少なくとも１つの構造体区分の移動によって、幅を拡大される。しかしながらまた別の実施形態では、特に直線的に延びているのではなく、例えば少なくとも１つの角隅を介して延びている作業間隙では、作業間隙が２次元的に拡大されるようになっており、この場合作業間隙の拡大は、特に、マイクロメカニカル構造体の運転時に位置固定の少なくとも１つの構造体区分が２つの方向に移動することによって、又は有利には、少なくとも２つ又は３つ以上の構造体エレメントが、２つの、有利には互いに直角に延びる方向に移動することによって、行われる。
【００１５】
作業間隙を拡大する手段の構成に関しては、種々様々な可能性が存在する。原則的には、従来技術において作業間隙を狭くするのに使用されるのと同じ（しかしながら逆の作用方向を有する）手段を使用することが可能である。しかしながら、本発明の特に有利な構成では、前記手段、つまり作業間隙を調節する手段が、電界の発生によって、つまり静電力の使用によって作業間隙を拡大させるように形成されている。この場合特に有利な構成では、ＤＥ１０２００４０５８１０３Ａ１に記載されたようにばねが形成されており、つまりばねは、ばねの内部応力を高めるために働く被覆層を備えている。
【００１６】
マイクロメカニカル構造体の内部において、作業間隙を増大させるのに十分な空間を準備するために、本発明の有利な構成では、少なくとも１つの増大する作業間隙に、少なくとも１つの補助間隙が配属されており、この補助間隙は、作業間隙を拡大する手段を用いて狭くなり、特に完全に閉鎖される。このような構成において、補助間隙が作業間隙に対して平行に延びていると特に有利である。
【００１７】
マイクロメカニカル構造体の特に有利な別の構成では、作業間隙を画成する構造体区分が櫛歯状に形成されており、これらの櫛歯状の構造体区分は、互いに間隔をおいて歯列のように互いに噛み合っている。作業間隙を増大させるために、マイクロメカニカル構造体の運転時に位置固定である構造体区分は、それぞれ他方の構造体区分から離れる方向に移動させられる。この場合特に有利には作業間隙は単に１次元的に増大させられ、有利には上に述べたように不均一な作業間隙幅が実現されるように、増大させられる。
【００１８】
本発明の別の有利な構成では、作業間隙が、マイクロメカニカル構造体の運転時に位置固定の構造体区分を取り囲む（リング状の）間隙として形成されている。この場合有利には、運転時に位置固定の構造体区分が複数、特に４つ設けられており、これらの構造体区分は、作業間隙を拡大する手段を用いて互いに対して運動させられ、これによって作業間隙を有利には均一に拡大させることができる。
【００１９】
特に有利な実施形態では、作業間隙は、マイクロメカニカル構造体の運転中に位置固定の複数の構造体区分の平行移動によって、拡大させられる。この場合移動する各構造体区分に、有利には位置固定の構造体区分によって完全に閉鎖される補助間隙が配属されていると有利である。このような構成は、補助間隙幅が加算され、これによって作業間隙を特に強く拡大することができるので、特に有利である。
【００２０】
本発明はまた、特にセンサ又はアクチュエータであるマイクロメカニカル構造体の、相対的に移動可能な少なくとも２つの構造体区分によって画成された作業間隙を調節する方法に関する。本発明の方法では、作業間隙が、マイクロメカニカル構造体の運転中に位置固定の少なくとも１つの構造体区分の移動によって、拡大されるようになっている。つまり言い換えれば、マイクロメカニカル構造体の運転中に可動の構造体区分ではなく、基準となる位置固定の構造体区分が移動させられる。
【００２１】
次に図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】櫛歯状のマイクロメカニカル構造体を、作業間隙の形成直後でまだ拡大されていない状態において示す図である。
【図２】図１に示された櫛歯状のマイクロメカニカル構造体を、作業間隙拡大後の状態で示す図である。
【図３】図１に示された櫛歯状のマイクロメカニカル構造体を、拡大して示す図である。
【図４】図２に示された櫛歯状のマイクロメカニカル構造体を、拡大して示す図である。
【図５】別に実施形態による、環状の作業間隙を備えたマイクロメカニカル構造体を、作業間隙拡大前の状態で示す図である。
【図６】図５に示されたマイクロメカニカル構造体を、作業間隙拡大後の状態で示す図である。
【図７】マイクロメカニカル構造体の運転中に位置固定の複数の構造体区分が設けられていて、これらの構造体区分が平行移動によって図８に示された状態に移動可能である、さらに別の実施形態による、１つの作業間隙を備えたマイクロメカニカル構造体を示す図である。
【図８】図７に示されたマイクロメカニカル構造体を、作業間隙拡大後の状態で示す図である。
【００２３】
発明の実施形態
図面において同一エレメント及び同じ機能を有するエレメントは、同一符号で示されている。
【００２４】
図１には、選択的にセンサ又はアクチュエータとして働くマイクロメカニカル構造体１の一部が示されている。このマイクロメカニカル構造体１は、半導体材料においてエッチングステップによって形成されている。図１から分かるように、マイクロメカニカル構造体１は２つのアクティブな構造体領域２，３を有しており、両構造体領域２，３は、それぞれ１つの蛇行形状（maeanderfoermig）の作業間隙４，５を有しており、両作業間隙４，５は互いに平行に延びている。作業間隙４，５はそれぞれ、図平面において内側に位置していてマイクロメカニカル構造体１の運転時に固定の櫛歯状の構造体区分６，７と、図平面において外側に位置していて、位置固定の各構造体区分６，７と噛み合っている可動の（アクチュエータの場合にはアクティブに移動可能な）櫛歯状の構造体区分８，９との間に形成されている。
【００２５】
構造体領域２，３の長手方向において延びている作業間隙区分１０，１１は、溝構造のエッチング後に、構造体領域２，３の長手方向に対して直角に延びる作業間隙区分１２，１３と同じ間隙幅を有している。櫛歯状の構造体領域２，３の長手方向に延びている作業間隙区分１０，１１を拡張するために、電界が生ぜしめられ、これにより図平面において内側に位置している、マイクロメカニカル構造体１の運転中に位置固定の構造体区分６，７は、互いに接近運動させられ、つまり運転中に可動の所属の構造体区分８，９に対して離反運動させられる。これは、位置固定の各構造体区分６，７に複数の補助間隙１４，１５が配属もしくは対応配置されており、これらの補助間隙１４，１５が構造体領域２，３の長手方向に延びている作業間隙区分１０，１１に対して平行に延びていることによって、可能になる。補助間隙１４，１５はばねエレメント１６の内部に形成されている。電界の発生に加えて又は択一的に、ばね力によって助成される機械式の調節機構を設けることも可能である。補助間隙１４，１５は、内方に向かっての構造体区分６，７の移動によって閉鎖され、その結果図２に示されているようなマイクロメカニカル構造体１が生ぜしめられ、このマイクロメカニカル構造体１では、作業間隙４，５、より正確に言えば、構造体領域２，３の長手方向に延びている作業間隙区分１０，１１は、構造体領域２，３の長手方向に対して直角な方向で拡大されており、これによってより大きな機械的な振幅が保証され、かつ図示の実施形態では直線的な特性も保証される。
【００２６】
図３及び図４には、図１もしくは図２に示された作業間隙４の部分が、作業間隙拡大前もしくは作業間隙拡大後の状態で示されている。図面から分かるように、作業間隙４は拡大前には均一な間隙幅、ここでは１.５μｍの間隙幅を有している。言い換えれば、構造体領域２の長手方向に延びている作業間隙区分１０は、拡大前には、該作業間隙区分１０に対して直角に延びている作業間隙区分１２と、正確に同じ大きさを有している。運転中に位置固定の構造体区分６が図平面において右に向かって移動することによって、作業間隙区分１０は拡大され、これに対して作業間隙区分１２の幅は変わらずに一定である。図４に示された実施形態では、作業間隙区分１０の間隙幅は、作業間隙区分１２の間隙幅の２倍の大きさである。
【００２７】
図５及び図６には、マイクロメカニカル構造体１の択一的な実施形態が、ここでは環状の間隙として形成された作業間隙４の拡大前もしくは拡大後の状態で示されている。この実施形態ではマイクロメカニカル構造体１は、外側の構造体区分８と、それぞれ三角形の輪郭を有していてマイクロメカニカル構造体１の運転中に位置固定の４つの構造体区分６とを有しており、これらの構造体区分６の間には、斜めに延びていて互いに交差している補助間隙１４が形成されている。これらの補助間隙１４は、構造体区分６の相対運動によって閉鎖され、これによって、図６に示されているように、環状の作業間隙４の二次元的な拡大を生ぜしめる。構造体区分６を移動させるための機構は、例えば静電式の調節機構又は機械式の調節機構として、少なくとも１つのばねエレメントの使用下で実現することができる。
【００２８】
図７及び図８には、マイクロメカニカル構造体のさらに別の択一的な実施形態が示されている。図面から分かるように、互いに平行に延びる３つの構造体区分６が設けられており、これらの構造体区分６は、マイクロメカニカル構造体の運転中に位置固定である。各２つの隣接した構造体区分６の間には、補助間隙１４が形成されており、この補助間隙１４は、図８に示されているように構造体区分６相互の接近運動によって、閉鎖される。位置固定の構造体区分６は機械式にばねエレメント１６を介して互いに結合されており、これらのばねエレメント１６によって構造体区分６は移動させられる。その結果、図８に示されているように、図７に比べて拡大された作業間隙４が生ぜしめられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年5月2日(2011.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ又はアクチュエータを含むマイクロメカニカル構造体であって、少なくとも２つの相対的に移動可能な構造体区分（６，７，８，９）によって画成された少なくとも１つの作業間隙（４，５）と、該作業間隙（４，５）を調節する手段とが設けられている形式のものにおいて、
前記手段は、マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に基準点に対して位置固定の少なくとも１つの構造体区分（６，７）が、運転時に基準点に対して可動の構造体区分（８，９）に対して移動することによって、作業間隙（４，５）を拡大するように、形成されていることを特徴とするマイクロメカニカル構造体。
【請求項２】
前記手段は、作業間隙（４，５）が少なくとも２つの箇所において異なった間隙幅をもって拡大するように、形成されている、請求項１記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項３】
前記手段は、作業間隙（４，５）を１次元的又は２次元的に拡大させるように形成されている、請求項１又は２記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項４】
前記手段は、静電力の発生によって作業間隙（４，５）を拡大させるように形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項５】
前記手段は、作業間隙（４，５）を少なくとも１つのばねを用いて拡大させるように形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項６】
前記手段は、少なくとも１つの補助間隙（１４，１５）を狭めることによって作業間隙（４，５）を拡大させるように形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項７】
作業間隙（４，５）を画成する構造体区分（６，７，８，９）が櫛歯状に形成されており、マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に位置固定の構造体区分（６，７）が、前記手段によって、運転中に移動可能な構造体区分から離れるように可動である、請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項８】
作業間隙（４，５）が、運転時に位置固定の少なくとも１つの構造体区分（６，７）を取り囲む間隙として形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項９】
作業間隙（４，５）が、マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に位置固定の複数の構造体区分（６，７）の平行移動によって、拡大可能である、請求項１から８までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１０】
センサ又はアクチュエータを含むマイクロメカニカル構造体（１）の、相対的に移動可能な少なくとも２つの構造体区分（６，７，８，９）によって画成された作業間隙（４，５）を調節する方法であって、
マイクロメカニカル構造体（１）の運転中に基準点に対して位置固定の少なくとも１つの構造体区分（６，７）が、基準点に対して可動の構造体区分（８，９）に対して移動することによって、作業間隙（４，５）を拡大させることを特徴とする、マイクロメカニカル構造体の作業間隙を調節する方法。
【国際調査報告】
2011529402.tif 000011
2011529402.tif 000012
2011529402.tif 000013
2011529402.tif 000014