TWI708733B - 用於壓力感測器裝置的微機械構件 - Google Patents

用於壓力感測器裝置的微機械構件 Download PDF

Info

Publication number
TWI708733B
TWI708733B TW106119442A TW106119442A TWI708733B TW I708733 B TWI708733 B TW I708733B TW 106119442 A TW106119442 A TW 106119442A TW 106119442 A TW106119442 A TW 106119442A TW I708733 B TWI708733 B TW I708733B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
axis
rotation
vibrating membrane
substrate
rotation axis
Prior art date
Application number
TW106119442A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201805230A (zh
Inventor
猶根 蘭穆斯
Original Assignee
德商羅伯特博斯奇股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 德商羅伯特博斯奇股份有限公司 filed Critical 德商羅伯特博斯奇股份有限公司
Publication of TW201805230A publication Critical patent/TW201805230A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI708733B publication Critical patent/TWI708733B/zh

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/004—Angular deflection
    • B81B3/0043—Increasing angular deflection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0145—Flexible holders
    • B81B2203/0154—Torsion bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04—Electrodes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

本發明係關於一種用於一壓力感測器裝置之微機械構件，該微機械構件具有：一振動膜(12)，其安裝於一基板(10)上且能夠藉助於一第一基板側(10)與一第二基板側(10)之間的一壓力差而變形；及一搖臂結構(14)，其以一方式連接至該振動膜(12)，使得該搖臂結構(14)藉助於該振動膜(12)之變形而圍繞一第一旋轉軸線(16)可調整，其中該搖臂結構(14)藉助於一槓桿結構(18)以一方式連接至該振動膜(12)，使得該振動膜(12)之該變形引發該槓桿結構(18)圍繞一第二旋轉軸線(20)之一旋轉運動，該第二旋轉軸線經對準以便與該第一旋轉軸線(16)平行且與該第一旋轉軸線(16)隔開，且該槓桿結構(18)圍繞該第二旋轉軸線(20)之該旋轉運動引發該搖臂結構(14)圍繞該第一旋轉軸線(16)之另一旋轉運動。此外，本發明係關於一種壓力感測器裝置，且係關於一種用於一壓力感測器裝置之一微機械構件的生產方法。

Description

用於壓力感測器裝置的微機械構件
本發明係關於一種用於一壓力感測器裝置之微機械構件且係關於一種壓力感測器裝置。此外，本發明係關於一種用於壓力感測器裝置之微機械構件的生產方法。
具有能夠圍繞旋轉軸線傾斜之搖臂結構的壓力感測器描述於美國專利案US 2014/0060169 A1中。該搖臂結構具有在旋轉軸線之第一側上的第一致動器電極及在旋轉軸線之第二側上的第二致動器電極。此外，搖臂結構圍封於氣密式外殼中，其中安置於外殼中之振動膜劃定在外殼中主導的參考壓力與在外殼之外部容積中主導之外部壓力/量測壓力之間的界限。外殼亦具有指派給第一致動器電極之第一定子電極及指派給第二致動器電極之第二定子電極。
本發明達成一種具有如申請專利範圍請求項1之技術特徵的用於壓力感測器裝置之微機械構件、一種具有如申請專利範圍請求項11之技術特徵的壓力感測器裝置，及一種具有如申請專利範圍請求項12之技術特徵的用於壓力感測器裝置之微機械構件的生產方法。
本發明之優點
本發明達成微機械構件/壓力感測器裝置，其中振動膜之相當小之變形引起搖臂結構(在第一基板側與第二基板側之間的壓力平衡下自搖臂結構之初始位置起)之相對大偏轉。搖臂結構(自搖臂結構之初始位置起)之此相對大偏轉藉助於簡單校驗技術(諸如，例如電容性校驗技術)係確切可識別的，且可因此以相對準確且相當無誤差方式針對建立感測器值(諸如，例如第一基板側與第二基板側之間的壓力差)進行評估。詳言之，本發明因此有助於改良諸如壓力感測器裝置之感測器裝置。
根據本發明之構件上之槓桿元件或裝備有該槓桿元件之壓力感測器裝置的組態分別不僅准許搖臂結構(自搖臂結構之初始位置起)之偏轉相對於振動膜之變形的放大，而且啟用微機械構件之相對對稱組態。此分別促進根據本發明之微機械構件或裝備有該微機械構件之壓力感測器裝置的最小化。此外，各別微機械構件或裝備有該微機械構件之壓力感測器裝置的對稱性對於該構件/壓力感測器裝置對作用於其上之任何外部應力的不敏感度分別具有有利效應。詳言之，本發明因此達成用於諸如壓力感測器裝置之感測器裝置的小且應力不敏感微機械構件。
如藉助於本發明所達成，用於藉助於槓桿元件「機械地放大」搖臂結構回應於振動膜之變形之偏轉的潛能之另一優點在於，根據本發明之微機械構件/壓力感測器裝置可配備有具有相當小面積之振動膜。此類型之小面積振動膜藉由關於第一基板側與第二基板側之間的壓力差之正線性以及振動膜之所得變形來區分。此類型之小面積振動膜對於應力同樣具有相對低敏感度，且就過載而言為相當高度穩健的。
在微機械構件之一個有利具體實施方式中，第一旋轉軸線位 於以中心且垂直方式與振動膜交叉的平面中。替代地，第一旋轉軸線可至少靠近於振動膜。因此不需要振動膜之關於搖臂之中心並不對稱的配置，使得常常出現於先前技術中的搖臂結構內之未利用「死區」可被免除。
槓桿結構較佳藉助於接觸振動膜之振動膜表面的提昇元件連接至振動膜，且藉助於振動膜之變形以垂直於振動膜表面之方式可調整。另外，槓桿結構可藉助於至少一個腹板元件連接至搖臂結構，該至少一個腹板元件經對準以便與第一旋轉軸線平行。
相當簡單之元件可因此用於將槓桿結構鏈接至振動膜，且用於將槓桿結構鏈接至搖臂結構。
至少一個腹板元件距第二旋轉軸線之間距較佳大於第一旋轉軸線距第二旋轉軸線之旋轉軸線間距。此准許搖臂結構(自搖臂結構之初始位置起)之偏轉相對於振動膜之變形增大至少1倍。
有利地，槓桿結構藉助於至少一個第一扭轉彈簧自錨定至基板之至少一個第一柱元件懸置，其中搖臂結構藉助於至少一個第二扭轉彈簧自至少一個第一柱元件及/或錨定至基板之至少一個第二柱元件懸置。詳言之，槓桿結構藉助於至少一個第一扭轉彈簧可自至少一個第一柱元件懸置，且搖臂結構藉助於至少一個第二扭轉彈簧亦可以一方式自至少一個第一柱元件懸置，使得單一第一扭轉彈簧或第一扭轉彈簧中之至少一者以及單一第二扭轉彈簧或第二扭轉彈簧中的至少一者錨定至同一第一柱元件。
至少一個第一柱元件及/或至少一個第二柱元件較佳錨定至基板，以便距振動膜之中心為等距的。此分別增加微機械構件之此具體實施方式對應力或裝備有微機械構件之壓力感測器裝置對應力的不敏感度。
作為有利改進，至少一個第一致動器電極可經建構於搖臂結構上第一旋轉軸線之第一側上，且至少一個第二致動器電極可經建構於搖臂結構上第一旋轉軸線之第二側上，其中在此狀況下，較佳地指派給至少一個第一致動器電極的至少一個第一定子電極以及指派給至少一個第二致動器電極之至少一個第二定子電極以一方式安置於微機械構件上及/或中，使得該等定子電極之位置不受槓桿結構圍繞第二旋轉軸線之旋轉運動影響，且不受搖臂結構圍繞第一旋轉軸線之另一旋轉運動影響。搖臂結構(自搖臂結構之初始位置起)的當前偏轉可藉助於以下各者以簡單且可靠之方式偵測/校驗：第一電容器，其由至少第一致動器電極及至少一個第一定子電極形成；及第二電容器，其由至少一個第二致動器電極及至少一個第二定子電極形成。
較佳地，單一第一定子電極或第一定子電極中之至少一個安置於基板上之振動膜的第一側上，且單一第二定子電極或第二定子電極中之至少一者安置於基板上之振動膜的第二側上。藉助於第一旋轉軸線安置於振動膜正上方或至少靠近振動膜的上述潛能，安置於基板上之定子電極之間的間距可經選定以便為相當小的，由於此情形，微機械構件之此具體實施方式對於基板由外部應力引起之彎曲的敏感度亦降低。
除安置於基板上之定子電極外，又至少一個其他第一定子電極及至少一個其他第二定子電極可經安置作為對搖臂結構之指向遠離基板之一側的有利改進。此可有助於增加藉助於電極實施之電容器的電容同時維持相當小之電極面。
上述優點在具有此類型之微機械構件之壓力感測器裝置下 亦得以保證。
此外，進行用於壓力感測器裝置之微機械構件的對應生產方法亦具有所描述之優點的效應。生產方法能夠進行根據微機械構件之上述具體實施方式的改進。
10:基板
12:振動膜
14:搖臂結構
16:第一旋轉軸線
18:槓桿結構/槓桿元件
20:第二旋轉軸線
22a:第一致動器電極/構件
22b:第二致動器電極/構件
24:連接桿/構件
25:對稱軸線/對稱平面
26:提昇元件/柱元件
28:提昇元件//中間彈簧/中間腹板
30:槓桿元件
32:第一扭轉彈簧
34:第一柱元件
36:連接腹板
38:第二扭轉彈簧
40:第二柱元件
42:連接錨
44:連接腹板
46:腹板元件
48:柱元件
50a:第一定子電極
50b:第二定子電極
52:第一半導體及/或金屬層
54:第一隔離層
56:第二半導體及/或金屬層
58:第二隔離層
60:第三半導體及/或金屬層
62:第三隔離層
64a:電極懸置結構
64b:電極懸置結構
66:蓋子
68:結合連接件
70:觸點
72a:其他第一定子電極
72b:其他第二定子電極
74a:支撐元件
74b:支撐元件
76:輔助元件
S0:可選方法步驟
S1:方法步驟
本發明之另外特徵及優點將在下文藉助於諸圖來解釋，其中：圖1展示微機械構件之第一具體實施方式之示意性平面圖；圖2展示微機械構件之第二具體實施方式之示意性平面圖；圖3展示微機械構件之第三具體實施方式之示意性平面圖；圖4a及圖4b展示微機械構件之第四具體實施方式的示意性平面圖，及沿著圖4a之對稱軸線/對稱平面穿過第四具體實施方式的橫截面；圖5a及圖5b展示微機械構件之第五具體實施方式的示意性平面圖，及沿著圖5a之對稱軸線/對稱平面穿過第五具體實施方式的橫截面；且圖6展示用於解釋用於壓力感測器裝置之微機械構件之生產方法之具體實施方式的流程圖。
圖1展示微機械構件之第一具體實施方式之示意性平面圖。
在圖1中示意性地再現之微機械構件具有安裝於基板10上的振動膜12。舉例而言，振動膜12可覆蓋穿過基板10之結構的開口。振動膜12能夠藉助於基板10之第一基板側(上的第一壓力)與基板10之第二基板側(上之第二壓力)之間的壓力差(不等於零)變形。而振動膜12 在第一基板側(上的第一壓力)與第二基板側(上之第二壓力)之間的壓力平衡狀況下以其初始形狀存在，振動膜12在第一基板側與第二基板側之間的壓力差(不等於零)存在狀況下具有變形。振動膜12之變形可理解為振動膜12至微機械構件之內部容積中的凹面變形及/或振動膜12脫離內部容積的凸面變形。振動膜12可因此亦被稱作壓力感測器振動膜。
微機械構件亦包含搖臂結構14，其以一方式連接至振動膜12，使得搖臂結構14藉助於振動膜12之變形圍繞第一旋轉軸線16可調整/調整。雖然搖臂結構在第一基板側上與第二基板側上之壓力平衡狀況下且在振動膜12以初始形狀存在狀況下存在於該搖臂結構之初始位置，但搖臂結構14藉助於振動膜12之變形自其初始位置圍繞第一旋轉軸線16可調整。
微機械構件此外具有槓桿結構18，搖臂結構14藉助於該槓桿結構以一方式連接至振動膜12，使得振動膜12之變形引發槓桿結構18圍繞第二旋轉軸線20之旋轉運動，且槓桿結構18圍繞第二旋轉軸線20之旋轉運動引發搖臂結構14圍繞第一旋轉軸線16的(另一)旋轉運動。第二旋轉軸線20經對準以便與第一旋轉軸線16平行且與旋轉軸線16隔開。
搖臂結構14藉助於槓桿結構18耦接至振動膜12相對於振動膜12自其初始形狀之變形而增大搖臂結構14自振動膜之初始位置圍繞第二旋轉軸線20的偏轉。槓桿元件18因此不僅起傳輸振動膜12之變形至搖臂結構14之作用，而且起增強振動膜12之變形對搖臂結構14之效應的作用。搖臂結構14自該搖臂結構之初始位置的增大之偏轉(相對於振動膜12之變形)可以更簡單且無誤差方式建立/校驗，由於此情形，振動膜12自其初始形狀的變形(或視需要分別存在於第一基板側與第二基板側之間的壓 力差)亦能夠以更簡單且無誤差方式建立/驗證。微機械構件可因此用於實施相較於先前技術得以改良的感測器裝置(諸如，例如慣性感測器裝置及/或壓力感測器裝置)。
較佳地，至少一個第一致動器電極22a經建構於搖臂結構14上第一旋轉軸線16之第一側上，且至少一個第二致動器電極22b經建構於搖臂結構14上第一旋轉軸線16之第二側上。圖1之微機械構件亦可具有指派至至少一個第一致動器電極22a之至少一個第一定子電極及指派至至少一個第二致動器電極22b之至少一個第二定子電極。定子電極應理解為如下電極：其以一方式安置於微機械構件上及/或中，使得定子電極之位置不受槓桿結構18圍繞第二旋轉軸線20的旋轉運動影響，且不受搖臂結構14圍繞第一旋轉軸線16的另一旋轉運動影響。定子電極可因此亦描述為固定地/不可調整地安置於微機械構件上的電極。然而，為了改良之清晰性，在圖1中已免除了繪製定子電極。
除(單一)第一致動器電極22a及(單一)第二致動器電極22b外，圖1之微機械構件的搖臂結構14以例示性方式仍包含至少一個連接桿24，詳言之兩個連接桿24，致動器電極22a及22b藉助於該(該等)連接桿互連。構件22a、22b及24之搖臂結構14為槓桿結構18加框。構件22a、22b及24之搖臂結構14較佳經建構以便關於對稱軸線/對稱平面25為對稱的，該對稱軸線/對稱平面25以中心方式與致動器電極22a及22b交叉及/或以垂直於旋轉軸線16及20之方式對準。兩個連接桿24在此狀況下在致動器電極22a與22b之間與對稱軸線/對稱平面25平行地延伸。構件22a、22b及24之搖臂結構14關於第一旋轉軸線16亦可為對稱的。然而，應指 出的是，搖臂結構14之組態能力不限於本文中再現之實施例。
槓桿結構18較佳藉助於接觸振動膜12之振動膜表面的提昇元件26及28連接至振動膜12，且藉助於振動膜12之變形以垂直於振動膜表面之方式可調整。圖1之具體實施方式中的提昇元件26及28以例示性方式包含安置於兩個中間彈簧/中間腹板28之間的柱元件26，其中兩個中間彈簧/中間腹板28在每一狀況下沿著第一旋轉軸線16延伸。
藉助於提昇元件26及28懸置/保持之槓桿結構18可包含垂直於旋轉軸線16及20行進的兩個槓桿元件30。槓桿結構18藉助於至少一個第一扭轉彈簧32自錨定至基板10之至少一個第一柱元件34懸置。舉例而言，兩個槓桿元件30(在每一狀況下在其末端中之一者處)在每一狀況下藉助於第一扭轉彈簧32可自(單一)第一柱元件34懸置。在第一旋轉軸線16之指向遠離第二旋轉軸線20的一側上，兩個槓桿元件30(在各別其他末端處)可藉助於一連接腹板36互連。構件30、32及36的槓桿結構18亦可關於對稱軸線/對稱平面25為對稱的，該對稱軸線/對稱平面以中心方式與致動器電極22a及22b交叉及/或以垂直於旋轉軸線16及20之方式對準。第一旋轉軸線16可同樣穿過構件30、32及36的槓桿結構18的中心行進。
搖臂結構14藉助於至少一個第二扭轉彈簧38亦可自至少一個第一柱元件36及/或自錨定至基板10之至少一個第二柱元件40懸置。圖1之具體實施方式中的兩個連接桿24在每一狀況下藉助於沿著第一旋轉軸線16(遠離槓桿結構18)延伸之一個第二扭轉彈簧38以例示性方式在每一狀況下自一個第二柱元件40懸置。
圖1之具體實施方式中之致動器電極22b在第一旋轉軸線16指向遠離第二旋轉軸線20的側上藉助於連接錨42連接至槓桿結構18的連接腹板36。連接錨42與第二旋轉軸線20之間的間距為兩個旋轉軸線16與20之間的旋轉軸線間距的兩倍。此藉由使用槓桿結構18使得搖臂結構14(回應於振動膜12之變形自搖臂結構的初始位置)的偏轉加倍。
就圖1之微機械構件之其他優點而言，參考以下描述內容。
圖2展示微機械構件之第二具體實施方式之示意性平面圖。
在圖2之具體實施方式中，槓桿元件30藉助於兩個連接腹板44互連，由於此情形，達成槓桿結構18之增加的機械耐用性。儘管如此，槓桿結構18關於對稱軸線/對稱平面25可為對稱的，該對稱軸線/對稱平面25以中心方式與致動器電極22a及22b交叉，及/或以垂直於旋轉軸線16及20之方式對準。第一旋轉軸線16可同樣穿過槓桿結構18的中心行進。
另外，槓桿結構18藉助於至少一個腹板元件46連接至搖臂結構14，該至少一個腹板元件經對準以便與第一旋轉軸線16平行，其中至少一個腹板元件46距第二旋轉軸線20的間距大於第一旋轉軸線16距第二旋轉軸線20之旋轉軸線間距。此藉由使用槓桿結構18而具有使搖臂結構14(回應於振動膜12之變形自該搖臂結構之初始位置起)的偏轉增加大於1倍之效應。搖臂結構14(回應於振動膜12之變形自該搖臂結構之初始位置起)的偏轉的放大倍數藉助於至少一個腹板元件46距第二旋轉軸線20之間距建立。依據其評價電路具有不同量測範圍但具有相同基本配置、相同大小及相同基本結構的感測器裝置(諸如，詳言之慣性感測器裝置及/或壓力感測器裝置)可因此(例如)藉助於建立至少一個腹板元件46距第二 旋轉軸線20的間距而針對其所要量測範圍來指定。另外，幾乎相同之生產方法可進行從而生產具有不同量測範圍的此等感測器裝置。圖2之具體實施方式中之兩個槓桿元件30以例示性方式藉助於在每一狀況下一個腹板元件46連接至搖臂結構14的相鄰連接桿24。
就圖2之微機械構件之其他特徵以及其優點而言，參考較早描述之具體實施方式及以下描述內容。
圖3展示微機械構件之第三具體實施方式之示意性平面圖。
如藉助於圖3可看出，具有連接腹板44之槓桿結構18的組態亦可被免除。此外，搖臂結構14之兩個連接桿24在每一狀況下藉助於在槓桿結構18之方向上沿著第一旋轉軸線16延伸之第二扭轉彈簧38可在每一狀況下自一個第二柱元件40懸置。搖臂結構14在此狀況下為槓桿結構18、腹板元件46以及所有柱元件34及40加框。所有柱元件34及40可經錨定以便藉助於柱元件34及40之此類型之配置在基板10上距振動膜12之中心為等距的。基板10藉助於施加於該基板10上之外力或藉由溫度改變的彎曲因此影響柱元件34及40以及結構14及18，其自後者懸置且彼此「集中」。圖3之具體實施方式因此對於施加於基板10上之外力或對於溫度改變具有相當低之敏感度。
就圖3之微機械構件之其他特徵及優點而言，參考以下描述內容。
圖4a及圖4b展示微機械構件之第四具體實施方式的示意性平面圖，及沿著圖4a之對稱軸線/對稱平面穿過第四具體實施方式的橫截面。
在圖4a及圖4b之具體實施方式中，兩個槓桿元件30(在每一狀況下在其末端處)在每一狀況下藉助於在搖臂結構14之方向上沿著第二旋轉軸線20延伸的一個第一扭轉彈簧32在每一狀況下自一個柱元件48懸置。搖臂結構14之兩個連接桿24在每一狀況下藉助於在槓桿結構18之方向上沿著第一旋轉軸線16延伸之一個第二扭轉彈簧38同樣在每一狀況下自相鄰柱元件48懸置。此外，兩個柱元件48中之每一者具有基板10上之兩個錨定區域，其中總計四個錨定區域經建構以便距基板10上之振動膜12之中心為等距的。圖4a及圖4b之具體實施方式因此對於施加至基板10之外力或溫度之改變亦具有相對低之敏感度。
圖4b展示沿著對稱軸線/對稱平面25穿過圖4a及圖4b之微機械構件的橫截面。可看出，(至少)振動膜12、第一定子電極50a中指派給至少一個第一致動器電極22a的至少一者及指派給至少一個第二致動器電極22b的至少一個第二定子電極50b自沈積於第一隔離層54上之第一半導體及/或金屬層52建構，該第一隔離層至少部分覆蓋基板10。至少一個第一定子電極50a安置於基板10上之振動膜12的第一側上。因此，至少一個第二定子電極50b位於基板10上之振動膜12之第二側上。替代地，「經釋放」定子電極亦可位於搖臂結構14之朝向基板10對準的側上，由於此情形，圖4a及圖4b之微機械構件對施加於基板10上之外力的敏感度能夠另外降低。
經構建之第二半導體及/或金屬層56形成於第一半導體及/或金屬層52之指向遠離基板10的側上，其中第二隔離層58之剩餘部分存在於經構建之第二半導體及/或金屬層56及經構建之第一半導體及/或金屬 層52的部分區域之間，而經構建之第二半導體及/或金屬層56的其他部分區域直接接觸經構建之第一半導體及/或金屬層52。此外，經構建之第三半導體及/或金屬層60存在於第二半導體及/或金屬層56之指向遠離基板10的側上，其中經構建之第三半導體及/或金屬層60的部分區域直接接觸經構建之第二半導體及/或金屬層56，而經構建之第三半導體及/或金屬層60的其他部分區域藉助於第三隔離層62之剩餘部分與經構建之第二半導體及/或金屬層56分離/隔離。
槓桿結構18(具有所展示之連接腹板44)、腹板元件46以及扭轉彈簧32及38較佳自第三半導體及/或金屬層60構建。電極懸置結構64a及64b亦構建自第三半導體及/或金屬層60，搖臂結構14之致動器電極22a及22b藉助於該等電極懸置結構經固持以便與振動膜12隔開。另外，圖4a及圖4b之微機械構件具有蓋子66，該蓋子橫跨結構14及18以及定子電極50a及50b且藉助於至少一個結合連接件68緊固至剩餘部分或經構建之第三半導體及/或金屬層60。作為另一可選構件部分，至少一個觸點70可自半導體及/或金屬層52、56及60之部分區域組裝，從而仍在蓋子66外部。
圖4a及圖4b之具體實施方式的其他特徵及優點仍將在下文予以描述。
圖5a及圖5b展示微機械構件之第五具體實施方式的示意性平面圖，及沿著圖5a之對稱軸線/對稱平面穿過第五具體實施方式的橫截面。
作為對先前描述之具體實施方式的改進，在圖5a及圖5b之 微機械構件狀況下(除安置於基板10上之定子電極50a及50b外)，至少一個其他第一定子電極72a及至少一個其他第二定子電極72b仍安置於搖臂結構14之指向遠離基板10的側上。至少一個其他第一定子電極72a及至少一個其他第二定子電極72b亦構建自第三半導體及/或金屬層60。(此在圖5b中可見，該圖5b展示沿著圖5a之對稱軸線/對稱平面25的橫截面)。其他定子電極72a及72b的自半導體及/或金屬層52、56及60之部分區域組裝的支撐元件74a及74b確保其他定子電極72a及72b在基板10上可靠地固持於適當位置，其他定子電極72a及72b不受結構14及18之移動阻礙。
甚至在圖5a及圖5b之微機械構件之相對小體積狀況下，具有相當高之電容的電容器可藉助於其他定子電極72a及72b由電極22a、22b、50a、50b、72a及72b達成。對於定子電極50a及50b同樣有可能的是被置放於可能之搖臂處以便以此方式達成圖5a及圖5b之微機械構件之應力對於施加於基板10上之外力的較低敏感度。
此外，第一扭轉彈簧32錨定至之輔助元件76經建構於柱元件48上。槓桿結構18自其初始位置之可調整性可另外藉助於輔助元件76來增加。此外，在圖5a及圖5b之微機械構件狀況下，柱元件48以及其他定子電極72a及72b的支撐元件74a及74b經錨定以便距基板10上之振動膜12的中心為等距的。此增加此具體實施方式之應力關於施加於基板10上之外力或溫度改變的不敏感度。
圖5a及圖5b之微機械構件的另一性質現將結合先前描述之具體實施方式來解釋。
上述所有微機械構件極其適合於用作感測器裝置(例如，諸 如慣性感測器及/或壓力感測器裝置)(的至少一部分)。藉助於槓桿結構18將振動膜12耦接至搖臂結構14改良搖臂結構14(自搖臂結構之初始位置起)的偏轉關於振動膜12之變形的放大，且因此在上述所有微機械構件之狀況下增加各別感測器裝置的敏感度。舉例而言，微機械構件亦結合諸如加速度及/或旋轉速率感測器之另一類型的感測器可經產生並用作模組。
在上述所有微機械構件之狀況下，第一旋轉軸線16位於以中心且垂直方式與振動膜12交叉的平面中。振動膜12較佳經安置以便在搖臂結構14內為對稱的且在槓桿結構18內為位於中心的。振動膜12在搖臂結構14內之此配置另外改良搖臂結構14(自搖臂結構之初始位置起)的偏轉關於振動膜12之變形的放大。同時，振動膜12可經建構以便在此不阻礙實現搖臂結構14自搖臂結構之初始位置之相當大之偏轉的能力情況下具有相當小之面積。經建構以便具有相當小之面積的振動膜12需要相對很小之面積/體積，且具有對應力的較低敏感度(與具有較大面積的振動膜相比較)。此外，小面積振動膜具有振動膜之彎曲回應於第一基板側與第二基板側之間的壓力差的(幾乎)線性行為。相較於大面積振動膜，小面積振動膜亦在較低敏感度情況下對過載做出反應。此外，具有經建構以便具有相當小之面積之振動膜12的基板10相較於具有相同基板尺寸但具有大面積振動膜之比較基板對於施加於其上之力更具抵抗力。
上述所有微機械構件可具有氣密式內部容積，其中該等微機械構件之振動膜12劃定在內部容積中主導之參考壓力與外部壓力/量測壓力之間的界限。詳言之，負壓或(幾乎)真空可在內容容積中主導。
圖6展示用於解釋用於壓力感測器裝置之微機械構件之生產方法之具體實施方式的流程圖。
在可選方法步驟S0中，最初形成安裝於基板上且能夠變形/藉助於基板之第一基板側與基板之第二側之間的壓力差而變形之振動膜。然而，作為方法步驟S0之替代，具有此類型之振動膜的「成品」基板可用於進行本文中所描述之生產方法。
在方法步驟S1中，搖臂結構以使得搖臂結構藉助於振動膜之變形圍繞第一旋轉軸線調整的方式連接至振動膜。本文中之搖臂結構藉助於槓桿結構連接至振動膜。此以如下方式進行：槓桿結構藉助於振動膜之變形設定為處於圍繞第二旋轉軸線之旋轉運動，該第二旋轉軸線經對準以便平行於第一旋轉軸線且與第一旋轉軸線隔開；且搖臂結構藉由槓桿結構圍繞第二旋轉軸線的旋轉運動設定為處於圍繞第一旋轉軸線之另一旋轉運動。
作為方法步驟S1，搖臂結構、槓桿結構且視需要後續微機械構件之至少一個其他構件可藉助於蝕刻製程自至少一個半導體及/或金屬層構建。舉例而言，上文已描述之微機械構件的具體實施方式可以此方式生產。然而，本文中所描述之生產方法的實施能力不限於上述具體實施方式的生產。
10:基板
12:振動膜
14:搖臂結構
16:第一旋轉軸線
18:槓桿結構/槓桿元件
20:第二旋轉軸線
22a:第一致動器電極/構件
22b:第二致動器電極/構件
24:連接桿/構件
25:對稱軸線/對稱平面
26:提昇元件/柱元件
28:提昇元件//中間彈簧/中間腹板
30:槓桿元件
32:第一扭轉彈簧
34:第一柱元件
36:連接腹板
38:第二扭轉彈簧
40:第二柱元件
42:連接錨

Claims (12)

  1. 一種用於一壓力感測器裝置之微機械構件，其具有：一振動膜(12)，其安裝於一基板(10)上且能夠藉助於一第一基板側(10)與一第二基板側(10)之間的一壓力差而變形；及一搖臂結構(14)，其以一方式連接至該振動膜(12)，使得該搖臂結構(14)藉助於該振動膜(12)之變形而圍繞一第一旋轉軸線(16)可調整；其特徵在於一槓桿結構(18)，該搖臂結構(14)藉助於該槓桿結構(18)以一方式連接至該振動膜(12)，使得該振動膜(12)之該變形引發該槓桿結構(18)圍繞一第二旋轉軸線(20)之一旋轉運動，該第二旋轉軸線(20)經對準以便與該第一旋轉軸線(16)平行且與該第一旋轉軸線(16)隔開，且該槓桿結構(18)圍繞該第二旋轉軸線(20)之該旋轉運動引發該搖臂結構(14)圍繞該第一旋轉軸線(16)的另一旋轉運動。
  2. 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中該第一旋轉軸線(16)位於一平面中，該平面係以一中心且垂直方式與該振動膜(12)相交。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機械構件，其中該槓桿結構(18)藉助於接觸該振動膜(12)之一振動膜表面的一提昇元件(26、28)連接至該振動膜(12)，且藉助於該振動膜(12)之該變形以垂直於該振動膜表面之方式可調整。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機械構件，其中該槓桿結構(18)藉助於至少一個腹板元件(46)連接至該搖臂結構(14)，該至少一個 腹板元件(46)經對準以便與該第一旋轉軸線(16)平行，且其中該至少一個腹板元件(46)距該第二旋轉軸線(20)之一間距大於該第一旋轉軸線(16)距該第二旋轉軸線(20)之一旋轉軸線間距。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機械構件，其中該槓桿結構(18)藉助於至少一個第一扭轉彈簧(32)自錨定至該基板(10)之至少一個第一柱元件(34、48)懸置，且其中該搖臂結構(14)藉助於至少一個第二扭轉彈簧(38)自該至少一個第一柱元件(48)及/或錨定至該基板(10)之至少一個第二柱元件(40)懸置。
  6. 如申請專利範圍第5項之微機械構件，其中該槓桿結構(18)藉助於該至少一個第一扭轉彈簧(32)自該至少一個第一柱元件(48)懸置，且該搖臂結構(14)藉助於該至少一個第二扭轉彈簧(38)亦以一方式自該至少一個柱元件(48)懸置，使得該單一第一扭轉彈簧(32)或該等第一扭轉彈簧(32)中之至少一者以及該單一第二扭轉彈簧(38)或該等第二扭轉彈簧(38)中之至少一者錨定至同一第一柱元件(48)。
  7. 如申請專利範圍第5項之微機械構件，其中該至少一個第一柱元件(34、48)及/或該至少一個第二柱元件(40)錨定至該基板(10)以便距該振動膜(12)之一中心為等距的。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機械構件，其中至少一個第一致動器電極(22a)經建構於該搖臂結構(14)上之該第一旋轉軸線(16)的一第一側上，且至少一個第二致動器電極(22b)經建構於該搖臂結構(14)之該第一旋轉軸線(16)之一第二側上，且其中指派至該至少一個第一致動器電極(22a)之至少一個第一定子電極(50a、72a)以 及經指派至該至少一個第二致動器電極(22b)之至少一個第二定子電極(50b、72b)以一方式安置於該微機械構件上及/或中，使得該等定子電極(50a、50b、72a、72b)之一位置並不受該槓桿結構(18)圍繞該第二旋轉軸線(20)的該旋轉運動影響，且不受該搖臂結構(14)圍繞該第一旋轉軸線(16)之該另一旋轉運動影響。
  9. 如申請專利範圍第8項之微機械構件，其中該單一第一定子電極或該等第一定子電極(50a)中之至少一者安置於該基板(10)上之該振動膜(12)的一第一側上，且該單一第二定子電極或該等第二定子電極(50b)中之至少一者安置於該基板(10)上之該振動膜(12)的一第二側上。
  10. 如申請專利範圍第9項之微機械構件，其中除安置於該基板(10)上之該等定子電極(50a、50b)外，又至少一個其他第一定子電極(72a)及至少一個其他第二定子電極(72b)安置於該搖臂結構(14)之指向遠離該基板(10)的一側上。
  11. 一種壓力感測器裝置，其具有如申請專利範圍第1至10項中任一項之微機械構件。
  12. 一種用於一壓力感測器裝置之一微機械構件的生產方法，該方法包含以下步驟：以使得一搖臂結構(14)藉助於一振動膜(12)之變形圍繞一第一旋轉軸線(16)調整的方式連接(S1)該搖臂結構(14)至該振動膜(12)，該振動膜(12)安裝於一基板(10)上且能夠藉助於一第一基板側(10)與一第二基板側(10)之間的一壓力差而變形； 其特徵在於該搖臂結構(14)藉助於一槓桿結構(18)以一方式連接至該振動膜(12)，使得該槓桿結構(18)藉助於該振動膜(12)之該變形設定為處於圍繞一第二旋轉軸線(20)之一旋轉運動，該第二旋轉軸線(20)經對準以便與該第一旋轉軸線(16)平行且與該第一旋轉軸線(16)隔開，且該搖臂結構(14)藉助於該槓桿結構(18)圍繞該第二旋轉軸線(20)之該旋轉運動設定為處於圍繞該第一旋轉軸線(16)的另一旋轉運動。
TW106119442A 2016-06-14 2017-06-12 用於壓力感測器裝置的微機械構件 TWI708733B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016210479.9 2016-06-14
??102016210479.9 2016-06-14
DE102016210479.9A DE102016210479A1 (de) 2016-06-14 2016-06-14 Mikromechanisches Bauteil für eine Drucksensorvorrichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201805230A TW201805230A (zh) 2018-02-16
TWI708733B true TWI708733B (zh) 2020-11-01

Family

ID=58739039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106119442A TWI708733B (zh) 2016-06-14 2017-06-12 用於壓力感測器裝置的微機械構件

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10807860B2 (zh)
KR (1) KR102292879B1 (zh)
CN (1) CN109311656B (zh)
DE (1) DE102016210479A1 (zh)
TW (1) TWI708733B (zh)
WO (1) WO2017215871A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018209500B4 (de) * 2018-06-14 2020-10-08 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer z-Inertialsensor
DE102018218056B3 (de) 2018-10-22 2019-06-19 Robert Bosch Gmbh Stressentkoppeltes MEMS-Bauteil mit ringförmiger Membran
DE102019205350A1 (de) * 2019-04-12 2020-10-15 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensor- oder Schaltervorrichtung
DE102019214414A1 (de) * 2019-09-23 2021-03-25 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil für eine Druck- und Inertialsensorvorrichtung
DE102021202699B4 (de) 2021-03-19 2023-02-02 Siemens Aktiengesellschaft Leistungsschaltersystem, Leistungsschalter, Displayeinheit und Displayhalter

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130000411A1 (en) * 2011-07-01 2013-01-03 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Ene Alt Pressure measurement device having an optimized sensitivity
US20140060169A1 (en) * 2012-08-30 2014-03-06 Andrew C. McNeil Pressure sensor with differential capacitive output

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5824910A (en) 1997-04-16 1998-10-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Miniature hydrostat fabricated using multiple microelectromechanical processes
CN201041027Y (zh) * 2007-06-01 2008-03-26 左林海 双控自动送钻器
DE102009026507A1 (de) * 2009-05-27 2010-12-02 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil
JP5714648B2 (ja) * 2012-11-16 2015-05-07 株式会社豊田中央研究所 力学量ｍｅｍｓセンサ及び力学量ｍｅｍｓセンサシステム
DE102013216915A1 (de) * 2013-08-26 2015-02-26 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Sensor und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors
FR3018916B1 (fr) * 2014-03-19 2017-08-25 Commissariat Energie Atomique Capteur de mesure de pression differentielle microelectromecanique et/ou nanoelectromecanique

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130000411A1 (en) * 2011-07-01 2013-01-03 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Ene Alt Pressure measurement device having an optimized sensitivity
US20140060169A1 (en) * 2012-08-30 2014-03-06 Andrew C. McNeil Pressure sensor with differential capacitive output

Also Published As

Publication number Publication date
US20190185316A1 (en) 2019-06-20
KR20190017929A (ko) 2019-02-20
CN109311656B (zh) 2022-10-11
DE102016210479A1 (de) 2017-12-14
US10807860B2 (en) 2020-10-20
CN109311656A (zh) 2019-02-05
KR102292879B1 (ko) 2021-08-25
TW201805230A (zh) 2018-02-16
WO2017215871A1 (de) 2017-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI708733B (zh) 用於壓力感測器裝置的微機械構件
US9061895B2 (en) Micromechanical structure comprising a mobile part having stops for out-of plane displacements of the structure and its production process
US9528895B2 (en) Microelectromechanical and/or nanoelectromechanical differential pressure measurement sensor
JP6053357B2 (ja) 最適化された感度を有する圧力測定デバイス
TWI247896B (en) X-Y axis dual-mass tuning fork gyroscope with vertically integrated electronics and wafer-scale hermetic packaging
JP5638598B2 (ja) 垂直に集積されたｍｅｍｓ加速度トランスデューサ
US6928872B2 (en) Integrated gyroscope of semiconductor material with at least one sensitive axis in the sensor plane
TWI507347B (zh) 微機械感測器元件
JP5450451B2 (ja) 垂直方向に集積した電子回路およびウェハスケール密封包装を含むｘ−ｙ軸二重質量音叉ジャイロスコープ
CN103852598A (zh) 具有针对热力学应力低敏感度的微机电结构
US8925384B2 (en) MEMS sensor with stress isolation and method of fabrication
US20070034007A1 (en) Multi-axis micromachined accelerometer
EP2943799B1 (en) Chip level sensor with multiple degrees of freedom
JP2001147236A (ja) 機械的応力に対して不感受性であるマイクロ電気機械構造体
JP2012027026A (ja) マイクロホン製造に特に応用する、ｍｅｍｓ動的圧力センサー
JP6260063B2 (ja) 平行板コンデンサ及びこれを含む加速度センサ
JP5121765B2 (ja) Ｍｅｍｓデバイスおよびその製造方法
JP6082601B2 (ja) 応力分離付き微細構造デバイス
EP2873095B1 (en) Semiconductor secured to substrate via hole in substrate
JP2018025530A (ja) 力学量センサおよびその製造方法
JP4855078B2 (ja) 振動検出器
WO2013180696A1 (en) Device including substrate that absorbs stresses
WO2015186740A1 (ja) Ｍｅｍｓ構造体