WO2021083589A1 - Mikromechanisches bauelement, insbesondere inertialsensor, mit einer seismischen masse, einem substrat und einer kappe - Google Patents

Mikromechanisches bauelement, insbesondere inertialsensor, mit einer seismischen masse, einem substrat und einer kappe Download PDF

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electrode layer
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Johannes Classen
Michael Saettler
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Micromechanical component in particular inertial sensor, with a seismic mass, a substrate and a cap
  • the present invention is based on a micromechanical component, in particular an inertial sensor, with a seismic mass, a substrate and a cap, the seismic mass being deflectable in a direction perpendicular to the main plane of extent of the reference electrode and the seismic mass being deflected towards the substrate having flexible stop, wherein the flexible stop of the seismic mass is connected to the main part of the seismic mass by means of a spring element and the spring element is implemented in an elastic layer.
  • Modern sensors for measuring linear accelerations or rotational accelerations usually have a micromechanical structure made of semiconductor materials - typically silicon or silicon-containing materials - which is also called a sensor core, as well as a
  • sensors are used in the motor vehicle sector, for example in ESP systems or also in the field of mobile devices, for example cell phones.
  • Rocker structures are often used for capacitive acceleration sensors with a detection direction perpendicular to the wafer plane (z-direction).
  • the sensor principle of these rocker structures is based on a spring-mass System in which, in the simplest case, a movable seismic mass with two counter-electrodes fixed on the substrate forms two plate capacitors.
  • the seismic mass is connected to the substrate via at least one, for reasons of symmetry usually two torsion springs. If the mass structures on the two sides of the torsion spring are of different sizes, then when a z-acceleration acts, the mass structure will rotate relative to the torsion spring as the axis of rotation. This means that the distance between the electrodes is smaller on the side with the greater mass and larger on the other side.
  • the change in capacitance is a measure of the acceleration acting on it.
  • Acceleration sensors are described in numerous documents, for example in EP 0 244581 and EP 0 773 443 Bl.
  • ASC anti-stiction coating
  • a sensor or a seismic mass or part of it
  • the ASC can be damaged, so that the sensor finally shows an increased tendency to stick.
  • Another possible error pattern due to very frequent mechanical stops is the particle formation that results from very fine abrasion on the surfaces of the stops. Such particles can, under certain circumstances, accumulate and lead to a restriction of freedom of movement, to electrical short-circuits or, in turn, to sticking.
  • knob stops are often used in a generally known manner, for example for z-acceleration sensors.
  • the knobs are arranged on the underside of the movable sensor structure. Due to the reduced contact surface, the adhesive forces are relatively low and therefore that
  • DE 102008043 753 A1 shows a sensor with a resilient stop which is implemented in the same functional level as the seismic mass.
  • DE 102012 207939 A1 claims a resilient stop which is formed from a second thin functional layer below or above a thicker functional layer. In this case, the stop can when the thin
  • Functional layer is arranged below the thick functional layer, take place in the direction of the bottom electrodes. If the thin layer is arranged above the thick functional layer, on the other hand, the stop can take place in the direction of the sensor cap.
  • the disadvantage is that in order to implement a stop effective on both sides, separate thin functional layers would have to be provided below and above the thicker functional layer, which carries the main part of the seismic mass, which requires increased effort and also requires additional space. Realization of a resilient stop using stop springs, which are realized from the thicker functional layer, is disadvantageous because the stop springs in the thick functional layer of the micro-electro-mechanical system (MEMS) (which are typically thicker than 10 ⁇ m, typically 15 pm to 30 pm) due to the high
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • Rigidity must have a correspondingly large length; this in turn takes up valuable space in the sensor core.
  • the present invention therefore has the object of providing an improved micromechanical component, in particular an inertial sensor, in which the flexible stops have a compact design so that the size of the sensor core can be kept small and a flexible stop that is effective on both sides can still be implemented.
  • micromechanical component in particular an inertial sensor, according to the main claim. Further advantageous refinements of the invention are given in the dependent claims.
  • the micromechanical inertial sensor or the micromechanical component comprises a seismic mass, a substrate and a cap.
  • the inertial sensor or the component has, connected to the substrate, a reference electrode in a first electrode layer and, connected to the cap, has a further reference electrode in a second electrode layer.
  • the seismic mass is in a direction perpendicular to the main extension plane of the reference electrode (or the Substrate or the further reference electrode) can be deflected on both sides (ie according to both orientations according to the direction perpendicular to the main extension plane).
  • the seismic mass has a flexible stop in the direction of deflection towards the first electrode layer, the flexible stop being the seismic
  • Ground is connected to the main part of the seismic mass by means of a spring element and the spring element is implemented in an elastic layer which is arranged between on the one hand a layer of the main part of the seismic mass and on the other hand the first electrode layer. Furthermore, the seismic mass according to the invention in
  • a further flexible stop is opened, the further flexible stop of the seismic mass being connected to the spring element by means of a stop element arranged in the layer of the main part of the seismic mass.
  • the same spring element can be used both for realizing a flexible stop of the seismic mass towards the substrate and towards the cap.
  • this advantageously makes it possible that - due to the implementation of the spring element in a comparatively thin functional layer, which thereby also enables the simpler (or more compact) implementation of more elastic spring elements - the spring properties of the spring element can be optimally adjusted over a wide range without the dimensions of such a spring element becoming too large, that is
  • Manufacturing the flexible stop by means of an elastic layer is not limited by the comparatively greater rigidity of a thicker MEMS functional layer (which makes up the main part of the seismic mass). This has the advantage that the flexible stop and the further flexible stop and the spring element can be constructed in a compact manner. This in turn saves valuable space in the sensor core and leads overall to a more compact construction of the component.
  • the layer of the main part of the seismic mass and the elastic layer are as functional layers formed, the layer thickness of the functional layer of the main part of the seismic mass is greater than the layer thickness of the elastic layer of the spring element.
  • the spring element has the shape of an arm which is connected at one end to the seismic mass and at its other end the flexible stop in the direction of the first
  • the stop element and the further flexible stop towards the electrode layer and in the direction of the second electrode layer has a simple, compact geometry that can be produced inexpensively with conventional structuring means and that requires little space.
  • the flexible arm of the stop can be oriented in different directions within the functional layer.
  • the flexible arm is preferably aligned with the movable end inwards (for example in the direction of a torsion axis of the deflectable seismic mass) or in the opposite direction outwards.
  • the flexible stop can be adapted very well to the geometry of conventional components. According to a preferred development it is provided that the flexible
  • the stop realizes or has a projection, which is also referred to as a nub, the projection being provided on the elastic layer essentially protruding in the direction of deflection.
  • a projection which is also referred to as a nub, the projection being provided on the elastic layer essentially protruding in the direction of deflection.
  • This design makes it possible to keep the contact area small in the stop state. This reduces the risk of the seismic mass “sticking”. Further It is advantageous that a special material with good non-stick properties can be selected by applying the projection, which further reduces the risk of “sticking”. According to a preferred development it is also provided that in the
  • a rigid stop is arranged in the plane of the first electrode layer adjacent to the flexible stop, and a further rigid stop is arranged in the plane of the second electrode layer adjacent to the further flexible stop, with at least local deflection of the seismic mass in the direction of the plane of the first
  • Electrode layer the deflection of the flexible stop and the seismic mass is limited by the rigid stop and with at least local deflection of the seismic mass towards the plane of the second electrode layer, the deflection of the further flexible stop and the seismic mass by the further rigid
  • Stop is limited.
  • the advantage of this embodiment is that, due to the presence of the rigid stop or the further rigid stop, the flexible stop or the further flexible stop and thus the seismic mass as a whole are only deflected up to a certain point. This avoids possible overstressing and functional impairment of the seismic mass. Nevertheless, the restoring force of the flexible stop caused by the limited deflection reduces the risk of the seismic mass “sticking”.
  • the rigid stop and the further rigid stop have the same electrical potential as the seismic mass. It is particularly advantageous in this embodiment that the stop of the movable sensor structure or the seismic mass on the fixed stops (or the rigid
  • the seismic mass is designed as a rocker structure with a first and a second arm, which can be deflected about a torsion axis relative to the substrate and is connected to the substrate via a spring element, the two arms of the rocker being different
  • At least one flexible stop can be formed on each of the two arms of the rocker. This advantageously reduces the probability of the rocker “sticking” and thus of the seismic mass in both directions of deflection.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of a micromechanical inertial sensor or a micromechanical component with a
  • FIG. 4 shows a further schematic sectional illustration of a micromechanical inertial sensor or component according to the invention
  • FIG. 1 shows an arrangement of a micromechanical inertial sensor or component with a seismic mass 30 and a substrate 20, the inertial sensor or component connected to the substrate 20 with a reference electrode 70 in a first electrode layer
  • the seismic mass 30 being deflectable on both sides (i.e. both in the positive Z direction and in the negative Z direction) in a direction 6 perpendicular to the main extension plane of the reference electrode 70 (or to the main extension direction of the substrate 20).
  • the seismic mass points in the direction of the first electrode layer 22
  • the flexible stop 31 of the seismic mass 30 being connected to the main part of the seismic mass 30 by means of a spring element 32, the spring element 32 being implemented in an elastic layer 33 which, on the one hand, is a layer 35 of the main part the seismic mass 30 and on the other hand the first electrode layer 22 is arranged.
  • This arrangement works well if the sensor cap is significantly further away from the top of the movable sensor structure or from the seismic mass 30 than the bottom electrodes (or the reference electrode 70 or the first electrode layer 22) from the resilient or flexible stop 31 below the Sensor structure (or seismic mass), i.e. when the stop gap to the bottom electrodes (first electrode layer 22) is smaller than the distance between the caps.
  • FIGS. 2 and 3 schematic sectional representations of a micromechanical inertial sensor or component according to the invention are shown according to different variants. These representations show the sensor structure corresponding to the representation according to FIG. 1, but with a cap 40 (or sensor cap), which is at a similarly small distance from the upper side of the seismic mass 30 arranged like the stop gap on the underside (ie towards the first electrode layer 22). Thus, the seismic mass can, under certain circumstances, also strike the cap 40, but this is to be prevented according to the invention.
  • the micromechanical inertial sensor or the component with the seismic mass 30 and the substrate 20 has a cap 40 which is connected in a known manner to the substrate 20 or layers applied over it to produce a cavity .
  • the inertial sensor or the component has the reference electrode 70 connected to the substrate 20 in the first electrode layer 22. Furthermore, according to the invention, the inertial sensor or the component has, connected to the cap, a further reference electrode 80 in a second electrode layer 44, the seismic mass 30 moving in a direction perpendicular to the main plane of extent of the reference electrode 70 (or perpendicular to the main direction of extent of the further reference electrode 80 or to the main direction of extent of the substrate 20) is deflectable on both sides and the seismic mass 30 in turn has the flexible stop 31 in the direction of deflection towards the first electrode layer 22, the flexible stop 31 of the seismic mass 30 being connected to the main part of the seismic mass 30 by means of the spring element 32 is.
  • the spring element is implemented in an elastic layer 33 which is arranged between the layer 35 of the main part of the seismic mass 30 on the one hand and the first electrode layer 22 on the other hand.
  • the seismic mass 30 now has a further flexible stop 39 in the direction of deflection towards the second electrode layer 44, the further flexible stop 39 of the seismic mass 30 being connected to the spring element 32 by means of a stop element 38 arranged in the layer 35 of the main part of the seismic mass 30 is.
  • An anchoring of the sensor structure or of the seismic mass 30 to the substrate 20 is indicated by the reference symbol 30 ′.
  • an upper knob can optionally be arranged, ie the further flexible stop 39 can be designed as a knob in order to be able to keep the stop surface very small on the cap side .
  • the spring element 32 in the elastic layer 33 now acts as a spring element not only for the impact on the bottom electrodes in the first electrode layer 22, but also for the impact between the layer 35 of the main part of the seismic mass 30 and the cap 40, which in this case comprises a wiring level (or the second electrode layer 44).
  • a very compact two-sided resilient stop is realized.
  • the stop of the movable sensor structure against the fixed stops occurs in a potential-free manner, since otherwise electrical short circuits between the movable sensor structure and fixed electrodes and thus malfunctions of the sensor can occur.
  • the arrangement of FIG. 2 is therefore to be regarded as greatly simplified in order to illustrate the basic principle of the invention.
  • FIG. 3 shows an arrangement according to the invention that has been refined with regard to freedom from potential.
  • the basic arrangement is the same as in Figure 2, but here the fixed stop surfaces above (formed in the second electrode layer 44) and below (formed in the first electrode layer 22) of the sensor structure are placed on a separate electrical potential, which is typically with the electrical potential of the movable sensor structure (ie the seismic mass 30) matches. This prevents electrical short circuits during the impact and minimizes the electrostatic forces of attraction between the contact surfaces of the fixed and movable stops and thus the risk of glue.
  • the variant according to FIG. in contrast to the representation according to FIG. 2, in the variant according to FIG.
  • a rigid stop 71 is arranged in the plane of the first electrode layer 22 adjacent to the flexible stop 31, and a rigid stop 71 is arranged in the plane of the second electrode layer 44 adjacent to the further flexible stop 39 further rigid stop 81 is arranged.
  • the deflection of the further flexible stop 39 and the seismic mass 30 is limited by the further rigid stop 81.
  • the spring action of the spring element 32 can thus be used not only towards the bottom electrodes (or the first electrode layer 22) but also towards the cap (or the second electrode layer 44) - Realize the stop. It is particularly advantageous that this can be done in a particularly compact manner, because by using the relatively small layer thickness of the flexible or elastic layer 33, comparatively soft spring elements can already be implemented by means of relatively short bending beams and thus particularly compact resilient stops.
  • FIGS. 2 and 3 each show a sectional view through the sensor structure, in which the section is made through the central anchorage 30 'of the sensor structure (or the seismic mass 30) and through the resilient stops.
  • the resilient stops In a real sensor structure, however, the resilient stops only take up a comparatively small part of the sensor surface.
  • FIG. 4 shows a further cross section along another cutting plane in which no stop structures exist.
  • FIGS. 5 to 8 each show schematic top views of different planes or layers in the structure of the micromechanical inertial sensor or the component according to the invention, a section plane A - B and a section plane C - D being indicated in each case;
  • the sectional representations shown in Figures 2 and 3 correspond to the sectional plane A - B in Figures 5 to 8 and the sectional representation shown in Figure 4 corresponds to the sectional plane C - D in Figures 5 to 8.
  • Figure 5 shows the plane of FIG Bottom electrodes 70 (or the first electrode layer 22) and the rigid stop 71 (or fixed stops). In the center of the rigid stop 71, an area is marked which indicates the stop positions 7 for the knob stops of the flexible stop 31 (on the underside of the elastic layer 33).
  • FIG. 6 is the Structure of the elastic layer 33 shown in which the spring element 32 is realized:
  • the contact holes 34 there are also the contact holes 34 'between the flexible layer 33 and the layer 35 of the main part of the seismic mass 30 shown in the area of the resilient bending beam.
  • no further contact holes are shown between these layers in the area of seismic mass 30.
  • FIG. 7 shows the structure of the layer 35 of the main part of the seismic mass 30, in particular also the stop element 38 on the cap side with the stop knob of the further flexible stop 39 optionally located thereon ) in the second electrode layer 44 and fixed stops (or further rigid stops 81) on the cap side.
  • the arrangement is very similar to the arrangement in the first electrode layer 22 according to FIG. 5, but the arrangement of the useful electrode surfaces is mirrored in relation to FIG. 5 in order to detect rotational deflections of the sensor structure. This is indicated in FIGS. 5 and 8 by different hatching of the various electrodes within the respective electrode layers 22, 44.
  • FIG. 9 shows schematic representations for realizing the layer 35 of the main part of the seismic mass 30, in particular a possible manufacturing method for the upper knob (ie the stop knob optionally located on the further flexible stop 39 on the stop element 38) to the cap side, ie to the stop towards the cap.
  • the layer 35 of the main part of the seismic mass 30 is depicted in each case.
  • FIG. 9 shows how the region of the knob 351 to be produced is masked via a first mask (partial figure b) and the remainder 350 of the layer 35 is etched back over time.
  • FIG. 10 shows an alternative production method with a buried hard mask
  • a thin oxide layer 353 is deposited on the layer 35 and structured by means of a first mask. This is followed, shown in part 10b, a
  • Poly-Si (polysilicon) layer deposition 354 (optionally with subsequent smoothing by means of CMP (Chemical Mechanical Polishing)), and the area of the nub 356 is defined via a lacquer mask 355. Then, shown in partial FIG. 10c, the functional trench 357 takes place, which etches both the poly-Si layer above the oxide layer 353 and over the
  • Oxide mask structured the underlying part of the layer 35.
  • the lacquer mask 355 and the oxide layer 353 are then removed in partial figure 10d. Even if the exemplary embodiments primarily with a view to z-
  • the micromechanical inertial sensor according to the invention or the component also relates to other MEMS components such as rotation rate sensors, micromirrors or resonators.

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Abstract

Es wird ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere ein Inertialsensor, mit einer seismischen Masse (30), einem Substrat (20) und einer Kappe (40) vorgeschlagen, wobei das Bauelement mit dem Substrat (20) verbunden eine Bezugselektrode (70) in einer ersten Elektrodenschicht (22) aufweist und mit der Kappe (40) verbunden eine weitere Bezugselektrode (80) in einer zweiten Elektrodenschicht (44) aufweist, wobei die seismische Masse (30) in eine Richtung (60) senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Bezugselektrode (70) beidseitig auslenkbar ist und wobei die seismische Masse (30) in Auslenkrichtung zur ersten Elektrodenschicht (22) hin einen flexiblen Anschlag (31) aufweist, wobei der flexible Anschlag (31) der seismischen Masse (30) mittels eines Federelements (32) mit dem Hauptteil der seismischen Masse (30) verbunden ist, wobei das Federelement (32) in einer elastischen Schicht (33) realisiert ist, die zwischen einerseits einer Schicht (35) des Hauptteils der seismischen Masse (30) und andererseits der ersten Elektrodenschicht (22) angeordnet ist, wobei die seismische Masse (30) in Auslenkrichtung zur zweiten Elektrodenschicht (44) hin einen weiteren flexiblen Anschlag (39) aufweist, wobei der weitere flexible Anschlag (39) der seismischen Masse (30) mittels eines in der Schicht (35) des Hauptteils der seismischen Masse (30) angeordneten Anschlagelements (38) mit dem Federelement (32) verbunden ist.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanisches Bauelement, insbesondere Inertialsensor, mit einer seismischen Masse, einem Substrat und einer Kappe
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement, insbesondere einem Inertialsensor, mit einer seismischen Masse, einem Substrat und einer Kappe, wobei die seismische Masse in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Bezugselektrode auslenkbar ist und wobei die seismische Masse in Auslenkrichtung zum Substrat hin einen flexiblen Anschlag aufweist, wobei der flexible Anschlag der seismischen Masse mittels eines Federelements mit dem Hauptteil der seismischen Masse verbunden ist und das Federelement in einer elastischen Schicht realisiert ist.
Moderne Sensoren zur Messung von linearen Beschleunigungen oder Drehbeschleunigungen weisen üblicherweise eine mikromechanische Struktur aus Halbleitermaterialien - typischerweise Silizium oder Silizium enthaltende Materialien -, die auch Sensorkern genannt wird, sowie eine
Auswerteelektronik auf. Derartige Sensoren werden im Kraftfahrzeugbereich beispielsweise in ESP-Systemen oder auch im Bereich von mobilen Geräten, beispielsweise Mobiltelefonen, benutzt. Mikromechanische Bauelemente zur Messung von Beschleunigung und
Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (z-Richtung) werden oftmals Wippenstrukturen genutzt. Das Sensorprinzip dieser Wippenstrukturen basiert auf einem Feder-Masse- System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche seismische Masse mit zwei auf dem Substrat fixierten Gegenelektroden zwei Plattenkondensatoren bildet. Die seismische Masse ist über mindestens eine, aus Symmetriegründen üblicherweise eher zwei Torsionsfedern mit dem Substrat verbunden. Sind die Massestrukturen auf den beiden Seiten der Torsionsfeder unterschiedlich groß, so wird sich beim Einwirken einer z-Beschleunigung die Massestruktur relativ zur Torsionsfeder als Drehachse drehen. Damit wird der Abstand der Elektroden auf der Seite mit der größeren Masse kleiner und auf der anderen Seite größer. Die Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Diese
Beschleunigungssensoren werden in zahlreichen Dokumenten beschrieben, beispielsweise in EP 0 244581 und EP 0 773 443 Bl.
Ein wichtiger Trend in der Weiterentwicklung von mikromechanischen Sensoren (jenseits von Kosten red uktion und Performance-Steigerung) ist die Erhöhung der mechanischen Robustheit bzw. Überlastfestigkeit.
Bedingt durch innovative Applikationen ergeben sich neue Einbaulagen und damit u. U. auch neuartige Belastungsprofile mit steigenden Robustheitsanforderungen für die Sensoren. Als Beispiel sei an dieser Stelle die Montage von Inertialsensoren in den Eingabestiften von Tablets genannt. Während Tablets oder auch Smartphones nur gelegentlich harten Schocks ausgesetzt sind, muss damit gerechnet werden, dass dies bei einem Eingabestift sehr häufig der Fall ist. Ein mögliches Fehlerbild bei häufig wiederholten Schockbelastungen ist das Kleben, bei dem die bewegliche Sensormasse an einem mechanischen Festanschlag hängen bleibt, sobald die Adhäsionskräfte im Anschlag größer sind als die Rückstellkräfte des Feder-Masse-Systems.
Zur Verringerung der Adhäsionskräfte wird oftmals ein sogenanntes Anti- Stiction-Coating (ASC) eingesetzt, das nach dem Freistellen des Sensors auf seiner Oberfläche angeordnet wird. Schlägt ein Sensor (bzw. eine seismische Masse oder ein Teil davon) aber sehr oft an einen Festanschlag an, kann es zu einer Schädigung des ASC kommen, so dass der Sensor schließlich eine erhöhte Klebeneigung zeigt. Ein weiteres mögliches Fehlerbild aufgrund sehr häufigen mechanischen Anschlagens ist die Partikelbildung, die aus einem sehr feinen Abrieb an den Oberflächen der Anschläge resultiert. Derartige Partikel können sich u. U. akkumulieren und zu einer Einschränkung der Bewegungsfreiheit, zu elektrischen Kurzschlüssen oder auch wiederum zum Kleben führen.
Im Falle eines Anschlags der seismischen Masse auf starre Strukturen des Sensors können hohe Kraftspitzen auftreten, die von der mikromechanischen Struktur verarbeitet werden müssen. Dies kann unter Umständen zu einer mechanischen Beschädigung der Struktur führen.
Zur Reduktion des Kleberisikos werden in allgemein bekannter Weise, beispielsweise für z-Beschleunigungssensoren, oftmals Noppenanschläge verwendet. In diesem Fall sind die Noppen an der Unterseite der beweglichen Sensorstruktur angeordnet. Aufgrund der reduzierten Anschlagsfläche sind die Adhäsionskräfte relativ gering und somit das
Kleberisiko bei gelegentlichem Berühren gering. Ein harter Festanschlag neigt aber bei häufiger Überlast zu den oben beschriebenen Fehlermechanismen (Kleben, Partikelbildung). Es wurden daher in der Vergangenheit verschiedene federnde Anschläge vorgeschlagen, die zum einen den Aufprall am Anschlag abfedern, also die mechanische
Schädigung der Anschlagsoberflächen reduzieren, zum anderen eine erhöhte Rückstellkraft bei starker Überlast bieten, da zusätzlich zur Rückstellkraft der Funktionsfedern des Sensors auch die Anschlagsfeder zur Rückstellkraft beiträgt. Als Stand der Technik für federnde Anschläge seien die folgenden Dokumente genannt. Die DE 102008043 753 Al zeigt einen Sensor mit federndem Anschlag, der in derselben Funktionsebene wie die seismische Masse realisiert ist. Die DE 102012 207939 Al beansprucht einen federnden Anschlag, der aus einer zweiten dünnen Funktionsschicht unterhalb oder oberhalb einer dickeren Funktionsschicht gebildet wird. In diesem Fall kann der Anschlag, wenn die dünne
Funktionsschicht unterhalb der dicken Funktionsschicht angeordnet ist, in Richtung der Bodenelektroden erfolgen. Ist die dünne Schicht oberhalb der dicken Funktionsschicht angeordnet, kann dagegen der Anschlag in Richtung der Sensorkappe erfolgen. Nachteilig ist, dass zur Realisierung eines beidseitig wirksamen Anschlags jeweils separate dünne Funktionsschichten unterhalb und oberhalb der dickeren Funktionsschicht, welche den Hauptteil der seismischen Masse trägt, vorgesehen sein müssten, was einen erhöhten Aufwand sowie ferner auch weiteren Platzbedarf erfordert. Auch eine Realisierung eines federnden Anschlags unter Verwendung von Anschlagfedern, welche aus der dickeren Funktionsschicht heraus realisiert sind, sind nachteilig, weil die Anschlagsfedern in der dicken Funktionsschicht des Mikro- Elektro- Mechanischen-Systems (MEMS) (welche typischerweise Dicken größer als 10 pm, typischerweise 15 pm bis 30 pm aufweisen) durch die hohe
Steifigkeit eine entsprechend große Länge aufweisen müssen; dies wiederum kostet wertvollen Platz im Sensorkern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement, insbesondere einen Inertialsensor, bereitzustellen, bei dem die flexiblen Anschläge eine kompakte Bauweise aufweisen, so dass die Größe des Sensorkerns gering gehalten werden kann und dennoch ein beidseitig wirksamer flexibler Anschlag realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das mikromechanische Bauelement, insbesondere ein Inertialsensor, gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der mikromechanische Inertialsensor bzw. das mikromechanische Bauelement eine seismische Masse, ein Substrat und eine Kappe. Der Inertialsensor bzw. das Bauelement weist mit dem Substrat verbunden eine Bezugselektrode in einer ersten Elektrodenschicht auf und mit der Kappe verbunden eine weitere Bezugselektrode in einer zweiten Elektrodenschicht auf. Die seismische Masse ist in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Bezugselektrode (bzw. des Substrats bzw. der weiteren Bezugselektrode) beidseitig (d.h. gemäß beider Orientierungen gemäß der Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene) auslenkbar. Erfindungsgemäß weist die seismische Masse in Auslenkrichtung zur ersten Elektrodenschicht hin einen flexiblen Anschlag auf, wobei der flexible Anschlag der seismischen
Masse mittels eines Federelements mit dem Hauptteil der seismischen Masse verbunden ist und wobei das Federelement in einer elastischen Schicht realisiert ist, die zwischen einerseits einer Schicht des Hauptteils der seismischen Masse und andererseits der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist. Ferner weist die seismische Masse erfindungsgemäß in
Auslenkrichtung zur zweiten Elektrodenschicht hin einen weiteren flexiblen Anschlag auf, wobei der weitere flexible Anschlag der seismischen Masse mittels eines in der Schicht des Hauptteils der seismischen Masse angeordneten Anschlagelements mit dem Federelement verbunden ist.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, dass das gleiche Federelement sowohl zur Realisierung eines flexiblen Anschlags der seismischen Masse zum Substrat hin als auch zur Kappe hin einsetzbar ist. Darüber hinaus ist es hierdurch vorteilhaft möglich, dass - aufgrund der Realisierung des Federelements in einer vergleichsweise dünnen Funktionsschicht, welche dadurch auch die einfachere (bzw. mit geringeren Abmessungen realisierbare) Realisierung elastischerer Federelemente ermöglicht - die Federeigenschaften des Federelements in weiten Bereichen optimal eingestellt werden können, ohne dass die Abmessungen eines solchen Federelements zu groß werden, d.h. das
Herstellen des flexiblen Anschlags durch eine elastische Schicht ist nicht durch die vergleichsweise größere Steifigkeit einer dickeren MEMS Funktionsschicht (welche den Hauptteil der seismischen Masse ausmacht) limitiert. Dies hat den Vorteil, dass der flexible Anschlag und der weitere flexible Anschlag sowie das Federelement kompakt aufgebaut werden können. Dies wiederum spart wertvollen Platz im Sensorkern und führt insgesamt zu einem kompakteren Aufbau des Bauelements.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Schicht des Hauptteils der seismischen Masse und die elastische Schicht als funktionale Schichten ausgebildet, wobei die Schichtdicke der funktionalen Schicht des Hauptteils der seismischen Masse größer ist als die Schichtdicke der elastischen Schicht des Federelements. Die Nutzung von funktionalen Schichten hat den Vorteil, dass der flexible Anschlag und das Federelement durch den schichtförmigen Aufbau der seismischen Masse einfach integriert werden können, weil die einzelnen funktionalen Schichten unabhängig voneinander strukturiert werden können. Insbesondere wird die Integration des flexiblen Anschlags in verschiedene Ausbildungen der seismischen Masse in einfacher Weise möglich, so dass in besonders kostengünstiger Weise bestehende Sensoranordnungen um den flexiblen
Anschlag zur Verhinderung des „Haftens“ erweiterbar sind.
Bevorzugt ist ferner, dass das Federelement die Form eines Arms hat, der an einem Ende mit der seismischen Masse verbunden ist und an seinem anderen Ende den flexiblen Anschlag in Richtung zur ersten
Elektrodenschicht hin sowie in Richtung zur zweiten Elektrodenschicht hin das Anschlagelement und den weiteren flexiblen Anschlag aufweist. Der Vorteil an dieser Form ist, dass sie eine einfache kompakte Geometrie aufweist, die mit herkömmlichen Mitteln der Strukturierung kostengünstig herstellbar ist und einen geringen Platzbedarf aufweist. Ferner kann der flexible Arm des Anschlags innerhalb der funktionalen Schicht in verschiedene Richtungen ausgerichtet sein. Bevorzugt erfolgt die Ausrichtung des flexiblen Arms mit dem beweglichen Ende nach innen (etwa in Richtung auf eine Torsionsachse der auslenkbaren seismischen Masse hin) oder in die entgegengesetzte Richtung nach außen. Die
Möglichkeit der unterschiedlichen Ausrichtung hat den Vorteil, dass der flexible Anschlag sehr gut an die Geometrie herkömmlicher Bauelemente angepasst werden kann. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der flexible
Anschlag einen Vorsprung realisiert oder aufweist, der auch als Noppe bezeichnet wird, wobei der Vorsprung im Wesentlichen in Auslenkrichtung vorstehend auf der elastischen Schicht vorgesehen ist. Diese Ausführung ermöglicht es, die Kontaktfläche im Anschlagszustand klein zu halten. Dies verringert die Gefahr des „Haftenbleibens“ der seismischen Masse. Ferner ist vorteilhaft, dass durch Aufbringung des Vorsprungs ein spezielles Material mit guten Antihafteigenschaften gewählt werden kann, wodurch die Gefahr des „Haftenbleibens“ weiter verringert wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass in der
Ebene der ersten Elektrodenschicht benachbart zu dem flexiblen Anschlag ein starrer Anschlag angeordnet ist und dass in der Ebene der zweiten Elektrodenschicht benachbart zu dem weiteren flexiblen Anschlag ein weiterer starrer Anschlag angeordnet ist, wobei bei zumindest lokaler Auslenkung der seismischen Masse in Richtung zur Ebene der ersten
Elektrodenschicht hin die Auslenkung des flexiblen Anschlags und der seismischen Masse durch den starren Anschlag begrenzt wird und wobei bei zumindest lokaler Auslenkung der seismischen Masse in Richtung zur Ebene der zweiten Elektrodenschicht hin die Auslenkung des weiteren flexiblen Anschlags und der seismischen Masse durch den weiteren starren
Anschlag begrenzt wird. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass durch das Vorhandensein des starren Anschlags bzw. des weiteren starren Anschlags der flexible Anschlag bzw. der weitere flexible Anschlag und damit die seismische Masse insgesamt nur bis zu einem gewissen Punkt ausgelenkt wird. Hierdurch wird eine eventuelle Überbeanspruchung und Funktionsbeeinträchtigung der seismischen Masse vermieden. Gleichwohl bewirkt die durch die begrenzte Auslenkung hervorgerufene Rückstellkraft des flexiblen Anschlags eine Verringerung der Gefahr des „Haftenbleibens“ der seismischen Masse.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der starre Anschlag und der weitere starre Anschlag das gleiche elektrische Potential wie die seismische Masse aufweisen. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass der Anschlag der beweglichen Sensorstruktur bzw. der seismischen Masse an den Festanschlägen (bzw. dem starren
Anschlag bzw. dem weiteren starren Anschlag) potentialfrei ist, was die Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen zwischen beweglicher Sensorstruktur und Festelektroden und somit zu Fehlfunktionen des Sensors maßgeblich reduziert. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die seismische Masse als Wippenstruktur mit einem ersten und einem zweiten Ausleger ausgebildet ist, die um eine Torsionsachse gegenüber dem Substrat auslenkbar ist und über ein Federelement mit dem Substrat verbunden ist, wobei die beiden Ausleger der Wippe unterschiedliche
Massen aufweisen. Optional kann auf jedem der beiden Ausleger der Wippe mindestens ein flexibler Anschlag ausgebildet sein. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Wahrscheinlichkeit eines „Haftenbleibens“ der Wippe und damit der seismischen Masse in beiden Auslenkungsrichtungen vermindert.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines mikromechanischen Inertialsensors bzw. eines mikromechanischen Bauelements mit einem
Federelement zwischen dem Hauptteil der seismischen Masse und dem Substrat gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 und Fig. 3 jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensors bzw. eines
Bauelements gemäß verschiedener Varianten;
Fig. 4 eine weitere schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensors bzw. Bauelements;
Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 jeweils schematische Draufsichten auf verschiedene Ebenen bzw. Schichten im Aufbau des erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensors bzw. Bauelements; Fig. 9 und Fig. 10 schematische Darstellungen zur Realisierung der Schicht des Hauptteils der seismischen Masse. Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist eine Anordnung eines mikromechanischen Inertialsensors bzw. Bauelements mit einer seismischen Masse 30 und einem Substrat 20 dargestellt, wobei der Inertialsensor bzw. das Bauelement mit dem Substrat 20 verbunden eine Bezugselektrode 70 in einer ersten Elektrodenschicht
22 aufweist, wobei die seismische Masse 30 in eine Richtung 6 senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Bezugselektrode 70 (bzw. zur Haupterstreckungsrichtung des Substrats 20) beidseitig (d.h. sowohl in positive Z-Richtung als auch in negative Z-Richtung) auslenkbar ist. In die Richtung zur ersten Elektrodenschicht 22 hin weist die seismische Masse
30 einen flexiblen Anschlag 31 auf, wobei der flexible Anschlag 31 der seismischen Masse 30 mittels eines Federelements 32 mit dem Hauptteil der seismischen Masse 30 verbunden ist, wobei das Federelement 32 in einer elastischen Schicht 33 realisiert ist, die zwischen einerseits einer Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30 und andererseits der ersten Elektrodenschicht 22 angeordnet ist. Diese Anordnung funktioniert gut, wenn die Sensorkappe deutlich weiter von der Oberseite der beweglichen Sensorstruktur bzw. von der seismischen Masse 30 entfernt ist als die Bodenelektroden (bzw. die Bezugselektrode 70 bzw. die erste Elektrodenschicht 22) vom federnden bzw. flexiblen Anschlag 31 unterhalb der Sensorstruktur (bzw. seismischen Masse), wenn also das Anschlagsgap zu den Bodenelektroden (erste Elektrodenschicht 22) kleiner ist als der Kappenabstand. In den Figuren 2 und 3 sind jeweils schematische Schnittdarstellungen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensors bzw. Bauelements gemäß verschiedener Varianten dargestellt. Diese Darstellungen zeigen den Sensoraufbau entsprechend der Darstellung gemäß Figur 1, jedoch mit einer Kappe 40 (bzw. Sensorkappe), die in ähnlich geringem Abstand zur Oberseite der seismischen Masse 30 angeordnet wie das Anschlagsgap an der Unterseite (d.h. zur ersten Elektrodenschicht 22 hin). Somit kann die seismische Masse unter Umständen auch an der Kappe 40 anschlagen, was erfindungsgemäß jedoch verhindert werden soll. Gemäß beiden erfindungsgemäßen Darstellungen in Figur 2 und 3 weist der mikromechanische Inertialsensor bzw. das Bauelement mit der seismischen Masse 30 und dem Substrat 20 eine Kappe 40 auf, die in bekannter Weise mit dem Substrat 20 bzw. darüber angebrachter Schichten zur Herstellung einer Kavität verbunden ist. Wiederum weist der Inertialsensor bzw. das Bauelement mit dem Substrat 20 verbunden die Bezugselektrode 70 in der ersten Elektrodenschicht 22 auf. Ferner weist der Inertialsensor bzw. das Bauelement erfindungsgemäß mit der Kappe verbunden eine weitere Bezugselektrode 80 in einer zweiten Elektrodenschicht 44 auf, wobei die seismische Masse 30 in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Bezugselektrode 70 (bzw. senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der weiteren Bezugselektrode 80 bzw. zur Haupterstreckungsrichtung des Substrats 20) beidseitig auslenkbar ist und wobei die seismische Masse 30 in Auslenkrichtung zur ersten Elektrodenschicht 22 hin wiederum den flexiblen Anschlag 31 aufweist, wobei der flexible Anschlag 31 der seismischen Masse 30 mittels des Federelements 32 mit dem Hauptteil der seismischen Masse 30 verbunden ist. Wiederum ist das Federelement in einer elastischen Schicht 33 realisiert, die zwischen einerseits der Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30 und andererseits der ersten Elektrodenschicht 22 angeordnet ist. Die seismische Masse 30 weist nun in Auslenkrichtung zur zweiten Elektrodenschicht 44 hin einen weiteren flexiblen Anschlag 39 auf, wobei der weitere flexible Anschlag 39 der seismischen Masse 30 mittels eines in der Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30 angeordneten Anschlagelements 38 mit dem Federelement 32 verbunden ist. Mit dem Bezugszeichen 30‘ ist eine Verankerung der Sensorstruktur bzw. der seismischen Masse 30 zum Substrat 20 hin angedeutet. An der Oberseite des Anschlagelements (bzw. in der Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30) kann optional eine obere Noppe angeordnet sein, d.h. der weitere flexible Anschlag 39 kann als Noppe ausgebildet sein, um auch zur Kappenseite die Anschlagsfläche sehr klein halten zu können. Das Federelement 32 in der elastischen Schicht 33 wirkt nun als Federelement nicht nur für das Anschlägen zu den Bodenelektroden in der ersten Elektrodenschicht 22, sondern auch für das Anschlägen zwischen der Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30 und der Kappe 40, welche in diesem Fall eine Verdrahtungsebene (bzw. die zweite Elektrodenschicht 44) umfasst. Somit ist gemäß Figur 2 ein sehr kompakter zweiseitiger federnder Anschlag realisiert.
Vorteilhafterweise erfolgt der Anschlag der beweglichen Sensorstruktur an den Festanschlägen potentialfrei, da es ansonsten zu elektrischen Kurzschlüssen zwischen beweglicher Sensorstruktur und Festelektroden und somit zu Fehlfunktionen des Sensors kommen kann. Die Anordnung von Figur 2 ist daher als stark vereinfacht zu betrachten, um das Grundprinzip der Erfindung darzustellen.
Figur 3 zeigt eine bzgl. Potentialfreiheit verfeinerte erfindungsgemäße Anordnung. Die Grundanordnung ist dieselbe wie in Figur 2, jedoch sind hier die festen Anschlagsflächen oberhalb (in der zweiten Elektrodenschicht 44 gebildet) und unterhalb (in der ersten Elektrodenschicht 22 gebildet) der Sensorstruktur auf ein gesondertes elektrisches Potenzial gelegt, das typischerweise mit dem elektrischen Potenzial der beweglichen Sensorstruktur (d.h. der seismischen Masse 30) übereinstimmt. Dadurch werden elektrische Kurzschlüsse während des Anschlagens verhindert und die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen den Kontaktflächen der festen und beweglichen Anschläge und somit das Kleberisiko minimiert. Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 2 ist somit bei der Variante gemäß Figur 3 in der Ebene der ersten Elektrodenschicht 22 benachbart zum flexiblen Anschlag 31 ein starrer Anschlag 71 angeordnet und es ist in der Ebene der zweiten Elektrodenschicht 44 benachbart zu dem weiteren flexiblen Anschlag 39 ein weiterer starrer Anschlag 81 angeordnet. Hierdurch ist bei (zumindest lokaler) Auslenkung der seismischen Masse 30 in Richtung zur Ebene der ersten Elektrodenschicht 22 hin (d.h. nach unten gemäß der Darstellung) die Auslenkung des flexiblen Anschlags 31 und der seismischen Masse 30 durch den starren Anschlag 71 begrenzt. Ferner ist bei (zumindest lokaler) Auslenkung der seismischen Masse 30 in Richtung zur Ebene der zweiten Elektrodenschicht 44 hin (d.h. nach oben gemäß der Darstellung) die Auslenkung des weiteren flexiblen Anschlags 39 und der seismischen Masse 30 durch den weiteren starren Anschlag 81 begrenzt. Erfindungsgemäß lässt sich somit die Federwirkung des Federelements 32 nicht nur zu den Bodenelektroden (bzw. der ersten Elektrodenschicht 22) sondern auch zur Kappe hin (bzw. der zweiten Elektrodenschicht 44) nutzen, also ein gleichzeitig in beide out of plane-Richtungen wirksamer federnder z-Anschlag realisieren. Besonders vorteilhaft ist, dass dies besonders kompakt erfolgen kann, weil sich durch die Nutzung der relativ geringen Schichtdicke der flexiblen bzw. elastischen Schicht 33 vergleichsweise weiche Federelemente schon mittels relativ kurzer Biegebalken und somit besonders kompakte federnde Anschläge realisieren lassen.
In beiden Figuren 2 und 3 ist jeweils ein Schnittbild durch die Sensorstruktur dargestellt, in dem der Schnitt durch die zentrale Verankerung 30‘ der Sensorstruktur (bzw. der seismischen Masse 30) und durch die federnden Anschläge erfolgt. Die federnden Anschläge nehmen in einer realen Sensorstruktur jedoch lediglich einen vergleichsweise geringen Teil der Sensorfläche in Anspruch. Um dies zu verdeutlichen, zeigt die Figur 4 einen weiteren Querschnitt entlang einer anderen Schnittebene, in der keine Anschlagsstrukturen existieren. Die Figuren 5 bis 8 zeigen jeweils schematische Draufsichten auf verschiedene Ebenen bzw. Schichten im Aufbau des erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensors bzw. des Bauelements, wobei jeweils eine Schnittebene A - B und eine Schnittebene C - D angegeben ist; die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Schnittdarstellungen entsprechen der Schnittebene A - B in den Figuren 5 bis 8 und die in der Figur 4 dargestellte Schnittdarstellung entspricht der Schnittebene C - D in den Figuren 5 bis 8. Die Figur 5 zeigt hierbei die Ebene der Bodenelektroden 70 (bzw. der ersten Elektrodenschicht 22) und den starren Anschlag 71 (bzw. Festanschläge). Im Zentrum des starren Anschlags 71 ist ein Bereich markiert, welcher die Anschlagspositionen 7 für die Noppenanschläge des flexiblen Anschlags 31 (an der Unterseite der elastischen Schicht 33) angibt. In Figur 6 ist die Struktur der elastischen Schicht 33 dargestellt in welcher das Federelement 32 realisiert ist: Zusätzlich zu den markierten Sensornoppen des flexiblen Anschlags 31 an der Unterseite der flexiblen Schicht 33 sind auch die Kontaktlöcher 34‘ zwischen der flexiblen Schicht 33 und der Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30 im Bereich des federnden Biegebalkens dargestellt. Auf die Darstellung weiterer Kontaktlöcher zwischen diesen Schichten im Bereich der seismischen Masse 30 wurde aus Gründen der Einfachheit verzichtet. Auch sind keinerlei Perforationslöcher gezeichnet, die üblicherweise in der beweglichen Struktur benötigt werden, um Opferoxide unterhalb der beweglichen Struktur zeiteffizient entfernen zu können. Die Figur 7 stellt die Struktur der Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30 dar, insbesondere auch das Anschlagselement 38 zur Kappenseite mit der darauf optional befindlichen Anschlagsnoppe des weiteren flexiblen Anschlags 39. Figur 8 zeigt eine mögliche Anordnung von Auswerteelektroden (bzw. weitere Bezugselektroden 80) in der zweiten Elektrodenschicht 44 sowie Festanschlägen (bzw. weitere starre Anschläge 81) auf der Kappenseite. Die Anordnung ähnelt stark der Anordnung in der ersten Elektrodenschicht 22 gemäß Figur 5, allerdings ist die Anordnung der Nutzelektrodenflächen gegenüber der Figur 5 gespiegelt, um rotatorische Auslenkungen der Sensorstruktur zu detektieren. Dies ist in Figur 5 und 8 durch unterschiedliche Schraffuren der verschiedenen Elektroden innerhalb der jeweiligen Elektrodenschichten 22, 44 kenntlich gemacht.
Die Figuren 9 und 10 zeigen schematische Darstellungen zur Realisierung der Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30, insbesondere ein mögliches Herstellungsverfahren für die obere Noppe (d.h. die optional auf dem weiteren flexiblen Anschlag 39 befindliche Anschlagsnoppe am Anschlagselement 38) zur Kappenseite, d.h. zum Anschlag in Richtung der Kappe. Es ist jeweils die Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30 abgebildet. Figur 9 (mit den Teilfiguren a, b und c) zeigt wie über eine erste Maske (Teilfigur b) der Bereich der herzustellenden Noppe 351 maskiert und der Rest 350 der Schicht 35 auf Zeit zurückgeätzt. Da es im allgemeinen genügt, Noppenhöhen von wenigen 100 nm zu realisieren und die typische Dicke der Schicht 35 des Hauptteils der seismischen Masse 30 im Bereich von 10 - 30 pm liegt, kann dieser Prozess trotz der Zeitsteuerung hinreichend gut definiert sein. In der Teilfigur 9c ist dargestellt, wie der eigentliche Funktionstrench 352 für die Schicht 35 mittels einer zweiten Maske erfolgt. Figur 10 (mit den Teilfiguren a, b, c und d) zeigt ein alternatives Herstellverfahren mit einer vergrabenen Hardmask
(d.h. einer strukturierten Oxidschicht als Maske), das im Vergleich zum Verfahren gemäß Figur 9 zwei zusätzliche Schichtabscheidungen benötigt, aber mit derselben Maskenzahl auskommt. Auf die Schicht 35 wird in Teilfigur 10a eine dünne Oxidschicht 353 abgeschieden und mittels einer ersten Maske strukturiert. Darauf erfolgt, dargestellt in Teilfigur 10b, eine
Poly-Si-(Polysilizium)Schichtabscheidung 354 (optional mit nachfolgender Glättung mittels CMP (Chemical Mechanical Polishing)), und über eine Lackmaske 355 wird der Bereich des Noppens 356 definiert. Anschließend erfolgt, dargestellt in Teilfigur 10c, der Funktionstrench 357, der sowohl die Poly-Si-Schicht oberhalb der Oxidschicht 353 ätzt als auch über die
Oxidmaske den darunterliegenden Teil der Schicht 35 strukturiert. Anschließend werden in Teilfigur lOd die Lackmaske 355 und die Oxidschicht 353 entfernt. Auch wenn die Ausführungsbeispiele vorrangig mit Blick auf z-
Beschleunigungssensoren erläutert sind, bezieht sich der erfindungsgemäße mikromechanische Inertialsensor bzw. das Bauelement ebenso auf andere MEMS-Bauelemente wie z.B. Drehratensensoren, Mikrospiegel oder Resonatoren.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauelement, insbesondere Inertialsensor, mit einer seismischen Masse (30), einem Substrat (20) und einer Kappe (40), wobei das Bauelement mit dem Substrat (20) verbunden eine Bezugselektrode
(70) in einer ersten Elektrodenschicht (22) aufweist und mit der Kappe (40) verbunden eine weitere Bezugselektrode (80) in einer zweiten Elektrodenschicht (44) aufweist, wobei die seismische Masse (30) in eine Richtung (60) senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Bezugselektrode (70) beidseitig auslenkbar ist und wobei die seismische Masse (30) in
Auslenkrichtung zur ersten Elektrodenschicht (22) hin einen flexiblen Anschlag (31) aufweist, wobei der flexible Anschlag (31) der seismischen Masse (30) mittels eines Federelements (32) mit dem Hauptteil der seismischen Masse (30) verbunden ist, wobei das Federelement (32) in einer elastischen Schicht (33) realisiert ist, die zwischen einerseits einer
Schicht (35) des Hauptteils der seismischen Masse (30) und andererseits der ersten Elektrodenschicht (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (30) in Auslenkrichtung zur zweiten Elektrodenschicht (44) hin einen weiteren flexiblen Anschlag (39) aufweist, wobei der weitere flexible Anschlag (39) der seismischen Masse (30) mittels eines in der Schicht (35) des Hauptteils der seismischen Masse (30) angeordneten Anschlagelements (38) mit dem Federelement (32) verbunden ist. 2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (35) des Hauptteils der seismischen Masse (30) und die elastische Schicht (33) als funktionale Schichten ausgebildet sind, wobei die Schichtdicke der funktionalen Schicht (35) des Hauptteils der seismischen Masse (30) größer ist als die Schichtdicke der elastischen Schicht (33) des Federelements (32).
3. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (32) die Form eines Arms hat, der an einem Ende mit der seismischen Masse (30) verbunden ist und an seinem anderen Ende den flexiblen Anschlag (31) in Richtung zur ersten Elektrodenschicht (22) hin sowie in Richtung zur zweiten Elektrodenschicht (44) hin das Anschlagelement (38) und den weiteren flexiblen Anschlag (39) aufweist.
4. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ebene der ersten Elektrodenschicht (22) benachbart zu dem flexiblen Anschlag (31) ein starrer Anschlag (71) angeordnet ist und dass in der Ebene der zweiten Elektrodenschicht (44) benachbart zu dem weiteren flexiblen Anschlag (39) ein weiterer starrer Anschlag (81) angeordnet ist, wobei bei zumindest lokaler Auslenkung der seismischen Masse (30) in Richtung zur Ebene der ersten Elektrodenschicht (22) hin die Auslenkung des flexiblen Anschlags (31) und der seismischen Masse (30) durch den starren Anschlag (71) begrenzt wird und wobei bei zumindest lokaler Auslenkung der seismischen Masse (30) in Richtung zur Ebene der zweiten Elektrodenschicht (44) hin die Auslenkung des weiteren flexiblen Anschlags (39) und der seismischen Masse (30) durch den weiteren starren Anschlag (81) begrenzt wird.
5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der starre Anschlag (71) und der weitere starre Anschlag (81) das gleiche elektrische Potential wie die seismische Masse aufweisen.
6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (30) als eine Wippenstruktur mit einem ersten und einem zweiten Ausleger ausgebildet ist, wobei die Wippenstruktur gegenüber dem Substrat (20) um eine Torsionsachse (30“) auslenkbar ist, wobei die beiden Ausleger der Wippe insbesondere unterschiedliche Massen aufweisen.
7. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer am weiteren flexiblen Anschlag (39) angeordneten Noppe
-- eine Ätzung der Schicht (35) des Hauptteils der seismischen Masse (30) auf Zeit erfolgt, oder -- die Noppe mittels einer vergrabenen strukturierten Oxidschicht als Maske erzeugt wird.
PCT/EP2020/076915 2019-10-28 2020-09-25 Mikromechanisches bauelement, insbesondere inertialsensor, mit einer seismischen masse, einem substrat und einer kappe WO2021083589A1 (de)

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