CN109553059A - 微机械传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械传感器组件，包括质量，该质量至少沿z方向可偏移，其中，在所述质量上在沿z方向取向的侧面的至少一个上通过连接装置布置有弹动地构造的止挡装置。

Description

微机械传感器组件
技术领域
本发明涉及一种微机械传感器组件，该微机械传感器组件包括至少沿z方向可偏移的质量。
本发明还涉及一种用于制造微机械组件的方法。
虽然本发明可一般性地应用于微机械传感器组件，但关于微机械惯性传感器来阐释本发明。
虽然本发明可一般性地应用于任意可偏移的质量，但关于弹簧-质量***的振动质量来阐释本发明。
背景技术
微机械惯性传感器还作为加速度传感器或倾斜传感器使用。在机械过载的情况下所述微机械惯性传感器的振动质量与固定的止挡结构接触，该止挡结构限制振动质量的进一步运动。在此，振动质量的偏移可以平行于衬底的平面，在加速度传感器或转速传感器中也可以垂直于衬底平面。在后面的情况中止挡结构垂直于衬底平面地布置。在出现机械过载时振动质量可以粘在止挡结构上。此外，在过载的情况下止挡结构和/或振动质量由于在止挡中传递的动能而变形。
由US 2010/007874 A1已知一种微机械传感器组件，该微机械传感器组件包括沿z方向可偏移的质量。在这里，所述质量具有与该质量连接的附加弹簧元件，该弹簧元件布置在所述质量的平面中并且沿z方向可偏移，并且该弹簧元件构造成用于提供与所述质量的偏移力相反的力。
由US 2016/0094156 A1已知一种微机械传感器。该微机械传感器包括弹簧-质量***。此外，止挡布置在用于弹簧-质量***的质量的衬底上。在此，止挡布置在板形柔性元件上，该元件又布置在固定的支承点上。
由KR 2015/0090629 A已知一种具有膜片的微机械传感器，该膜片具有用于可偏移的质量的止挡。在此，包括止挡在内的所述膜片固定地布置在可偏移的质量的上方和下方。
发明内容
在一种实施方式中，本发明提供一种微机械传感器组件，该微机械传感器组件包括至少沿z方向可偏移的质量，其中，在所述质量上在沿z方向取向的侧面的至少一个上通过连接装置布置有弹动地构造的止挡装置。
在另一实施方式中，本发明提供一种用于制造根据本发明的微机械组件的方法，其中，相继地制造包括止挡装置和薄层的止挡层、包括连接结构的连接层和所述质量，其中，对于每个层相继地：
-沉积用于该层的材料，
-将所沉积的材料结构化，
-将牺牲层沉积到所结构化的材料上，并且
-将牺牲层结构化，
并且，其中，随后除去所有牺牲层。
由此所实现的优点之一是，在过载情况下能够实现所传递的动能的降低。另一优点是，由此避免微机械结构的损害和变形。另一优点是，避免偏移的质量在止挡结构、衬底或类似结构上的粘附或者至少减小粘附的可能性。
关于偏移的概念“z方向”应最广义地理解并且在本发明中涉及任意取向的偏移方向。
下面描述或者由此公开本发明的其他特征、优点和其他实施方式：
根据有利的扩展方案，布置有呈连接层形式的连接装置。由此所实现的优点之一是，由此能够以简单的方式制造连接装置。
根据另一有利的扩展方案，止挡装置包括尤其由硅制造的薄层，该薄层在它背离所述质量的一侧上具有至少一个止挡。由此的优点是，由此通过止挡与薄层的共同作用提供有效的弹簧作用。此外，能够以简单的方式实现止挡的安置或施加。在这里薄层尤其理解为以下层：该层沿z方向的厚度明显小于所述质量的厚度、优选小于25％、尤其小于20％、尤其小于15％、优选具有所述质量沿z方向的厚度的仅10％。薄层的厚度和止挡沿z方向的延伸尺度的比例优选在1和15之间、尤其在2和7之间、优选为3。止挡沿z方向的延伸尺度的大小和薄层的厚度尤其在0.25μm和2μm之间。
根据另一有利的扩展方案，布置有多个止挡，所述止挡至少沿z方向具有不同的延伸尺度和/或不同的刚性。由此一方面能够实现所述质量通过止挡的阻尼的精细划分，另一方面可以通过多个止挡的布置以非常灵活的方式提供借助于阻尼组件通过止挡的布置或构造所实现的阻尼作用。
根据另一有利的扩展方案，止挡在沿着薄层的至少一个方向中具有沿z方向增大的延伸尺度。由此能够以非常灵活的方式提供沿着所述至少一个方向的梯级式的阻尼。
根据另一有利的扩展方案，薄层具有至少一个槽和/或至少一个孔和/或至少一个突起部。由此所实现的优点之一是，能够以简单的方式并且同时以非常灵活的方式使薄层的阻尼作用或弹簧作用适配于预给定的条件。
根据另一有利的扩展方案，以周期性方式和/或对称的方式布置有多个槽和/或孔。由此的优点是，能够以简单的方式实现薄层的结构化以用于灵活地确定阻尼作用或弹簧作用。
根据另一有利的扩展方案，在薄层的与连接装置连接的区域中布置具有较高刚性的止挡。由此防止薄层的过度弯曲。
根据另一有利的扩展方案，在薄层上非对称地布置有多个止挡。借助于非对称的布置可以提供倾斜力矩，这进一步降低止挡在过载时在衬底或类似结构上的粘附倾向。
根据另一有利的扩展方案，连接装置呈U形地构造并且布置在薄层的两个相对置的侧上，其中，各个角是倒圆的。由此借助于连接装置避免应力、翘曲或类似影响作用到薄层上。
根据另一有利的扩展方案，作为振动质量的所述质量构造为弹簧-质量***的一部分。以该方式可以提供非常可靠的惯性传感器。
根据另一有利的扩展方案，使所述层中的至少一个层的已结构化的材料在相应牺牲层结构化之后重新结构化。这例如能够实现具有槽或类似结构的薄层的结构化。
本发明的其他重要特征和优点由附图和参照附图的附图描述得出。
要理解的是，前面提到的和后面还要阐释的特征不仅能够用在相应说明的组合中，而且也能够以其他组合或单独使用，而不偏离本发明的框架。
本发明的优选实施方案和实施方式在附图中示出并且在随后的说明中详细阐释，其中，相同的附图标记涉及相同的或类似的或者功能相同的构件或元件。
附图说明
在此，以示意性的方式示出，
图1根据本发明的实施方式的微机械传感器组件的横截面；
图2根据本发明的另一实施方式的微机械传感器组件的横截面；
图3根据本发明的实施方式的微机械组件的一部分的俯视图；
图4根据本发明的实施方式的微机械组件的一部分的俯视图；和
图5根据本发明的实施方式的微机械组件的薄层的从下方看的视图。
具体实施方式
图1以示意性的方式示出根据本发明的实施方式的微机械传感器组件的横截面。
在图1中详细示出微机械传感器组件100的横截面。微机械传感器组件100包括振动质量4，该振动质量可以沿z方向7、即在图1中向上或向下平移地运动或偏移。在振动质量4的下侧4’上、即在振动质量4的两侧的朝着沿z方向7偏移的方向的一侧上部分地布置有连接层3，该连接层与薄层2连接。在振动质量4和薄层2之间布置有可弯曲的区域。该区域通过以下方式形成：连接层3在振动质量4和薄层2之间具有槽8。在薄层2的背离振动质量4的一侧上示出两个止挡5和6。止挡5具有沿z方向7大于第二止挡6的厚度。此外，止挡5关于振动质量4的中点(这里未示出，该中点在图1中位于振动质量向右进一步走向的区域中)比止挡6更靠外。在此，振动质量4可以由硅制造，连接层3同样由硅制造。振动质量4和连接层3与同样可以由硅制造的薄层2机械固定地锚定或连接。这两个止挡5或6可以由硅、氮化硅或锗制造。
如果现在可运动的微机械传感器组件100由于机械过载沿负的z方向7偏移，那么首先第一止挡5贴放在具有衬底接合部1的不可运动的硅、氮化硅、铜或铝层上。在进一步偏移的情况下薄层2产生运动并且在此吸收过载的动能的一部分。从薄层2的一定偏移开始第二止挡6沿负的z方向7贴放在不可运动的硅层1上，在这里该第二止挡具有大于第一止挡5的刚性，并且微机械组件100的可运动的质量4停止。
图2以示意性的方式示出根据本发明的另一实施方式的微机械传感器组件的横截面。
在图2中基本上示出根据图1的微机械传感器组件100。与根据图1的微机械组件100不同地，根据图2的微机械传感器组件100现在具有相同构造的止挡5、5’。此外，微机械传感器组件100现在构造为z跷板，即替代于根据图1的振动质量4的平移运动，该振动质量现在可以实施旋转运动。因此，这里可以取消具有更大刚度的第二止挡(在图1以附图标记6标明)。在图2中布置有两个相同构造的止挡5、5’，所述止挡一方面具有沿z方向的相同延伸尺度，另一方面也由相同材料或相同层制造。
图3以示意性的方式示出根据本发明的实施方式的微机械组件的一部分的俯视图。
在图3中详细示出微机械组件100的由硅制造的、结构化的薄层2的俯视图。此外，在薄层2的中间画出伸入到图3的图像平面中的止挡5。薄层2由连接装置3矩形地包围。此外，薄层2沿x方向9具有小于沿y方向9’的延伸尺度。此外，薄层2沿x方向9具有三排矩形的槽10，所述槽用于整体上适配或者说调节止挡装置2、5的刚性。矩形槽10能够以简单的方式制造，而尤其圆形槽提供改善的应力消除。槽沿y方向9’的宽度例如可以在500nm和8μm之间、尤其在2μm和5μm之间。
图4以示意性方式示出根据本发明的实施方式的微机械组件的一部分的俯视图。
在图4中基本上示出根据图3的薄层2以及连接装置3。与根据图3的连接装置3不同地，根据图4的连接装置3现在仅布置在薄层2的窄侧11、11’上并且矩形地构造。由此同样能够调节止挡装置2、5的刚性。连接装置3的在这里未示出的另一变型在于，该连接装置仅沿y方向9’在整个层2的一部分上分别在上面和下面延伸，使得在左侧和右侧在薄层2的窄侧11、11’上产生呈U形的连接装置3。有利地，连接装置3在U形的角处的过渡部是倒圆的，这减小在连接装置3中的应力。
图5以示意性形式示出根据本发明的实施方式的微机械组件的薄层的从下方看的视图。
在图5中以从下方看的视图示出由硅制造的薄层2。在此，薄层2不具有结构化部10。此外，示出三个止挡5、5”，其中，止挡5基本上布置在薄层2的中间并且沿x方向9相对于另外两个止挡5”错位地布置。止挡5沿y方向9’基本上布置在两个止挡5”的中间。
如果现在没有结构化部的薄层2沿着该薄层的下部纵向侧围绕y轴9’转动，上止挡5首先与衬底接触并且在进一步过载的情况下两个另外的止挡5”随后同时与衬底接触。因此，止挡5、5”形成级联的止挡装置5、5”。换言之，提供弹性的止挡级联。这能够通过止挡5、5”的沿y方向9’对称的布置和所述止挡沿x方向9的非对称的布置实现。
另一实施方式可以在于，去掉两个止挡5”中的一个止挡，使得整体上产生止挡5、5”的非对称的布置。以该方式可以将倾斜运动施加到与所述止挡连接的振动质量4上，这整体上进一步降低止挡5、5”的粘接或粘附。通过止挡5、5”相对彼此或相对于偏移方向的各个角度可以调节止挡5、5”之间的力比例。角度选择的越大，作用到中间止挡5上的力越大并且作用到沿x方向9在侧面的止挡5”上的力越小。
为了制造微机械组件，可以在一个添加的过程中相继制造所述层。这样例如可以首先沉积硅，该硅被结构化并且随后设置沉积的和结构化的牺牲层、例如氧化物。然后重新沉积材料，结构化该材料并且设置牺牲层。在另一步骤中通过气相蚀刻除去中间空间的牺牲层并且由此露出传感器组件。
总结而言，本发明还具有以下优点：可以如避免微机械组件的损害那样避免在止挡结构上的附着。此外，能够实现止挡力的限定分布。同样地，可以提供止挡装置在传感器平面中的高旋转刚性。通过尤其呈薄板和其夹紧部(即连接装置的构造)的形式的薄层的灵活的结构化能够根据薄层的面积和厚度调节止挡装置的垂直于传感器平面的刚性并且由此尤其可以实现高的刚性。
虽然参照优选实施例描述本发明，但本发明不局限于此，而是能够以多种方式改变。

Claims (13)

1.微机械传感器组件(100)，包括：
质量(4)，该质量至少沿z方向(7)能偏移，其中，在所述质量(4)上在沿方向(7)取向的侧面(4’)中的至少一个上通过连接装置(3)布置有弹动地构造的止挡装置(2、5)。
2.根据权利要求1所述的微机械传感器组件，其中，所述连接装置(3)呈连接层的方式布置。
3.根据权利要求1或2所述的微机械传感器组件，其中，所述止挡装置(2、5)包括尤其由硅制造的薄层(2)，该薄层在它背离所述质量(4)的一侧上具有至少一个止挡(5、5’、5”、6)。
4.根据权利要求3所述的微机械传感器组件，其中，布置有多个止挡(5、5’、5”、6)，所述止挡至少沿z方向(7)具有不同的延伸尺度和/或不同的刚性。
5.根据权利要求4所述的微机械传感器组件，其中，所述止挡(5、5’、5”、6)在沿着所述薄层(2)的至少一个方向上具有沿z方向(7)增大的延伸尺度。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的微机械传感器组件，其中，所述薄层(2)具有至少一个槽(10)和/或至少一个孔和/或至少一个突起部。
7.根据权利要求6所述的微机械传感器组件，其中，多个槽(10)和/或孔以周期性方式和/或对称的方式布置。
8.根据权利要求4所述的微机械传感器组件，其中，在所述薄层(2)的与所述连接装置(3)连接的区域中布置具有较高刚性的止挡(5、5’、5”、6)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的微机械传感器组件，其中，在所述薄层(2)上非对称地布置有多个止挡(5、5’、5”)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的微机械传感器组件，其中，所述连接装置(3)呈U形地构造并且布置在所述薄层(2)的两个相对置的侧(11、11’)上，其中，各个角是倒圆的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的微机械传感器组件，其中，作为振动质量的所述质量(4)构造为弹簧-质量***的一部分。
12.用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的微机械组件的方法，其中，相继制造包括所述止挡装置(5、5’、5”)和所述薄层(2)的止挡层、包括连接结构的连接层(3)和所述质量(4)，其中，对于每个层相继地：
-沉积用于该层的材料，
-将所沉积的材料结构化，
-将牺牲层沉积到所结构化的材料上，并且
-将所述牺牲层结构化，
并且，其中，随后除去所有牺牲层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使所述层中的至少一个层的所结构化的材料在相应牺牲层结构化之后重新结构化。
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