CN101786591B - 微机械装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械装置，其包括：具有一些限界面(A)的活动元件(2)；和具有一些限界面(B)的止挡(4)，该止挡限制所述活动元件(2)的运动。在此，所述活动元件(2)由至少一个第一层(2a)和一个第二层(2b)组成，所述第一层(2a)和第二层(2b)这样地布置，使得它们分割至少一个限界面(A)，至少一个仅仅设置在所述第一层(2a)中的横销(3)从所述限界面(A)中伸出，所述横销(3)用于限制所述活动元件(2)的运动。替代地或附加地，所述止挡(4)类似于所述活动元件(2)地构造。最后也涉及一种用于制造按本发明的微机械装置(1)的方法。

Description

微机械装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械装置，包括一具有一些限界面的活动元件和一具有一些限界面的止挡，所述止挡限制该活动元件的运动，其中，a)所述活动元件具有至少一个限界面，所述限界面带有至少一个从所述限界面中伸出的横销(Noppe)，所述横销用于限制所述活动元件的运动，和/或，b)所述止挡具有至少一个限界面，所述限界面带有至少一个从所述限界面中伸出的横销，所述横销用于限制所述活动元件的运动。本发明还涉及一种用于制造微机械装置的方法。
背景技术
具有活动元件的微机械装置的一个例子是加速度传感器。加速度传感器是这样一种传感器，该传感器通过确定作用在测试质量上的惯性力来测量加速度。因此，例如可以确定是否发生了速度增加或速度减小。加速度传感器也被称为加速度测量计或者加速计，还被称为B测量计和G传感器。
最近几年越来越受重视的一种结构形式是微型化的加速度传感器。该加速度传感器是微机电系统(MEMS)并且由硅制成。这些传感器是弹簧质量系统，其中，质量由硅制成，而弹簧也通常仅由几微米宽的硅制短臂形成。通过加速时的偏移可以在弹簧悬挂的部分和一固定的基准电极之间测量到电容量的变化。
为了制造这些微型化的传感器，借助光刻法由硅蚀刻出所述质量和小的硅弹簧。这类加速度传感器结合了低的计件成本、小的尺寸、高的坚固性和快速的响应特性。因此，这些加速度传感器例如被用于激活机动车中的气囊。
尤其在传感器用于相对小的加速度时，粘附(Stiction)是微机械结构的重要品质风险和产量风险中的一种。以此表示活动的振动质量在机械止挡之后保持附着。在此，附着倾向由粘附力产生并且此外由静电吸引力产生。为了减小附着倾向，除了所述的防粘附涂层(ASC)之外，还使用一些特殊成形的止挡元件，通过防粘附涂层使这些表面钝化以减小这些表面的粘附倾向，这些止挡元件在振动质量的运动方面限制振动质量。为此主要使用止挡横销，这些止挡横销基本上具有以下任务，即，减小振动质量和止挡之间的接触面积。但是，由于止挡面积的减小，振动质量和止挡之间的保持力也减小，以至于振动质量不会如此容易地保持“粘附”或者说附着。
出于工艺技术上的原因，目前横销的最小宽度通常限于2至3μm。因此，在硅功能层厚度为10至20μm时得出每个止挡横销的最小止挡面积为约20至40μm2。
所提到的问题和缺点也出现在具有活动元件的其它微机械装置中，例如出现在振动回转仪和麦克风形式的转速传感器中。振动回转仪(英语：Vibratingstructuregyroscope，简称VSG)由一能振动的系统组成，例如借助微机械式方法由硅制成。如果转速传感器垂直于其偏移方向以一角速度旋转，则科氏力垂直于偏移方向且垂直于旋转轴线作用。合成的检测偏移然后可以由检测器件、例如电容式电极检测。在振动回转仪中，一活动元件(类似于加速度传感器中的振动质量)主动地沿一个方向运动(也就是说置身于振动中)并且测量与该方向横向的方向上的偏移。而在(MEMS)麦克风中，膜片就是振动元件。在此，例如在声压过高时可能导致膜片通振(Durchschwingen)直到一以小间距设置的背板上并且接着保持附着在该背板上。
发明内容
现在本发明的目的是，进一步减小活动元件在止挡元件上的附着倾向。
本发明的目的通过按本发明的微机械装置和按按本发明的制造方法实现。
相应地提出了一种微机械装置，包括：
具有一些限界面的活动元件，和
具有一些限界面的止挡，所述止挡限制所述活动元件的运动，其中
a)所述活动元件由至少一个第一层和一个第二层组成，所述第一层和第二层这样地布置，使得它们分割至少一个限界面，至少一个仅仅设置在所述第一层中的横销从所述限界面中伸出，所述横销用于限制所述活动元件的运动，和/或
b)所述止挡由至少一个第一层和一个第二层组成，所述第一层和第二层这样地布置，使得它们分割至少一个限界面，至少一个仅仅设置在所述第一层中的横销从所述限界面中伸出，所述横销用于限制所述活动元件的运动。
相应地也提出了一种用于制造微机械装置的方法，包括以下步骤：
将一第二层施加到一第一层上以形成具有一些限界面的活动元件，其中，所述第一层和第二层这样地设置，使得它们分割至少一个限界面，
在所述第一层中形成至少一个横销，其中，所述至少一个横销从所述至少一个限界面中伸出，和
形成一止挡，所述止挡设置用于在与所述至少一个横销接触时限制所述活动元件的运动。
最后也相应地提出了一种用于制造微机械装置的方法，包括以下步骤：
形成一活动元件，
将第二层施加到第一层上以形成具有一些限界面的止挡，其中，所述第一层和第二层这样地设置，使得它们分割至少一个限界面，
在所述第一层中形成至少一个横销，其中，所述至少一个横销从所述至少一个限界面中伸出并且设置用于限制所述活动元件的运动。
活动元件在没有力的作用时位于静止位置中并且在外部力(例如由加速度或者空气压力或声压产生)的作用下偏移。在超过力的极限值时，借助止挡阻止活动元件继续运动。如果力再次下降到极限值以下，则活动元件本应该立即再次往回运动。但是由于附着现象，所述活动元件保持“粘附”或者说附着在止挡上。附着力可能如此高，使得活动元件即便在力下降时或者即使在沿相反方向的力下也不再从止挡松开。因此传感器不能使用。但是即便附着力没有那么高并且活动元件在低于一确定的力时再次松开，传感器仅有限地适用，因为所提到的效应导致令人不快的滞后。因此，按本发明减小附着面积，所述附着面积的大小严重地影响到附着。尽管在现有技术中已经使用了横销，但是这些横销布满活动元件的和/或止挡的整个高度。但是按本发明，横销现在设置在相对薄的层中并且因此明显小于已知解决方案中的横销。因此，附着倾向和不期望的滞后可以被显著地减小。横销在此可以仅设置在活动元件上、仅设置在止挡上或者设置在这两个元件上。由于在MEMS工艺中工件通常在很大程度上相互独立的层中进行加工(例如蚀刻)，因此横销在这种工艺中可以相对容易地制造。因此，本发明可以成功地在MEMS工艺中应用，但是并不限于此。
在这里指出，所述的方法步骤的顺序不是强制性的，而是也可以改变。因此，技术人员能毫不费力地改变所示的方法，以便与他所选择的具体工艺过程相适配。可行的且有利的是例如以下的方法步骤的顺序：
a)沉积一第一层，
b)使所述第一层结构化，其中，形成横臂，
c)沉积一消耗层(Opferschicht)，例如一氧化层，
d)使所述消耗层结构化，尤其是在这样的位置中去除该消耗层，在所述位置中在随后的步骤中沉积的第二层应当直接地与第一层接触(因此，在横臂的区域中不去除消耗层)，
e)沉积所述第二层，
f)使所述第二层结构化并且在去除了消耗层的位置使第一层结构化，其中，横臂上方的消耗层用作蚀刻阻挡，和
g)例如通过气相蚀刻去除消耗层以露出微机械结构。
本发明的有利的设计方式和扩展方式由权利要求书以及由结合附图中的图的说明书得出。
有利的是，既实施情况a)又实施情况b)，并且，所述活动元件的所述至少一个横销和所述止挡的所述至少一个横销被这样地构造，使得所述活动元件的所述至少一个横销在限制所述活动元件的运动时与所述止挡的所述至少一个横销共同作用。在此，当活动元件触碰到止挡时，该活动元件的横销与止挡的横销共同作用，即完全或部分地相互触碰。以这种方式特别好地减小了附着倾向。
同样有利的是，仅仅实施情况a)或者情况b)，并且，
在情况a)中，所述止挡具有连续的限界面，所述限界面用于限制所述活动元件的运动，或者，
在情况b)中，所述活动元件具有连续的限界面，所述限界面用于限制所述活动元件的运动。
在这种结构形式中，仅有活动元件或者仅有止挡具有横销。在第一种情况下，止挡的限界面是连续的，即不具有任何横销。在第二种情况下，活动元件的限界面是连续的，即不具有任何横销。该结构形式的特点在于其相对简单。
此外有利的是，仅仅实施情况a)或者情况b)，并且，
在情况a)中，所述止挡由至少一个第一层和一个第二层组成，所述第一层和第二层这样地布置，使得它们分割至少一个限界面，至少一个设置在所述第一层和第二层中的横销从所述限界面中伸出，所述横销用于限制所述活动元件的运动，或者，
在情况b)中，所述活动元件由至少一个第一层和一个第二层组成，所述第一层和第二层这样地布置，使得它们分割至少一个限界面，至少一个设置在所述第一层和第二层中的横销从所述限界面中伸出，所述横销用于限制所述活动元件的运动。
在这种结构形式中，仅有活动元件或者仅有止挡具有一些横销，这些横销仅设置在较薄的第一层中。而在第一种情况下，止挡的限界面具有一些横销，这些横销位于这两个层中。在第二种情况下，活动元件的限界面具有一些横销，这些横销位于这两个层中。该实施形式的特点在于其构造同样相对简单。
有利的是，所述活动元件的第一层形成所述活动元件的限界面的不足20％，并且尤其是不足10％，和/或，所述止挡的第一层形成所述止挡的限界面的不足20％，并且尤其是不足10％。通过该措施可以显著地减小附着倾向。在一种常规的层结构中，如为MEMS技术所采用的层结构那样，带有横销的层具有活动元件的或者止挡的总高度的不足20％或者10％。
也有利的是，所述活动元件的所述至少一个横销的面积形成所述活动元件的限界面的不足4％，并且尤其是不足2％，和/或，所述止挡的所述至少一个横销的面积形成所述止挡的限界面的不足4％，并且尤其是不足2％。在这种结构形式中，一个横销在一种常规的层结构中(如为MEMS技术所采用的层结构那样)具有活动元件的或者止挡的总宽度的不足20％或者10％。因此得到了一个用于横销的面，该面小于活动元件的或者止挡的限界面的4％或者2％。
此外有利的是，所述活动元件的所述至少一个横销的面积和/或所述止挡的所述至少一个横销的面积小于10μm2。上述的百分比数据仅有条件地说明了保持力的绝对大小。因此，在这里为横臂的绝对大小给出了有利的上限。因此，在活动元件具有当前常见的大小时，只要一个逆着保持力的相对小的力(例如质量的加速度或者弹簧的逆着保持力的回复力)就足以使活动元件再次从止挡上松脱。
最后当活动元件的形成包括以下步骤时，得到微机械装置的一种有利的制造方法：
将第二层施加到第一层上以形成具有一些限界面的活动元件，其中，所述第一层和第二层这样地设置，使得它们分割至少一个限界面，和
在所述第一层中形成至少一个横销，其中，所述至少一个横销从所述至少一个限界面中伸出，其中，
所述活动元件的所述至少一个横销和所述止挡的所述至少一个横销这样地构造，使得所述活动元件的所述至少一个横销在限制所述活动元件的运动时与所述止挡的所述至少一个横销共同作用。
在此，当活动元件触碰到止挡时，该活动元件的横销与止挡的横销共同作用，即完全或部分地相互触碰。以这种方式能够特别好地减小附着倾向。
本发明的以上设计形式和扩展方式允许以任意方式和方法组合。
附图说明
下面借助在附图的示意图中给出的实施例详细地阐述本发明。在此示出：
图1示出一种按本发明的微机械装置的示意图；
图2示出一种用于活动元件或止挡的限界面的变型；
图3示出用于活动元件或止挡的横销的变型；
图4示出本发明的一种变型，其中竖直地设置有三个层。
具体实施方式
在附图的图中，相同的和功能相同的元件和特征(只要没有设计成其它样子)用相同的附图标记表示。
图1示出加速度传感器1形式的微机械装置，该微机械装置具有一振动质量2形式的活动元件和一些止挡4，这些止挡4限制了振动质量2的运动。振动质量2由第一层2a和第二层2b组成。在第一层2a中设置有一些横销3，这些横销3从振动质量2的限界面A(阴影地示出)伸出。这些止挡4同样由第一层4a和第二层4b组成。在第一层4a中设置有一些横销5，这些横销5从所述止挡4的限界面B(阴影地示出)伸出。为了更好地理解，图1中右边的止挡被透明地示出。
图1中示出的加速度传感器1的功能现在如下。
在静止位置中，也就是在没有加速度的影响下，振动质量2位于两个止挡4之间的中心。如果现在有一个外部的加速度作用在加速度传感器1上，则振动质量2接近一止挡4。在所示的例子中，由此得出，振动质量2接近图1中右边的止挡4。在超过结构上预给定的极限加速度时，振动质量2的横销3触碰到止挡4的横销5。因此，振动质量2不能再继续偏移。
如果加速度重新降到极限值以下，则振动质量2本应当立即再次往回运动。但是由于附着现象，振动质量2保持“粘附”在止挡4上。附着力可以如已经提到的那样高，使得振动质量2即便在加速度下降时或者即使在沿相反方向的加速度下也不再从止挡4松开，因此加速度传感器1完全失效。但是即便附着力没有那么高并且振动质量2在低于一确定的加速度时再次从止挡4松开，加速度传感器1也仅有限地适用，因为所提到的效应导致在获取测量值时令人不快的滞后。因此，按本发明减小附着面积，该附着面积的大小影响到附着。根据现有技术，横销布满整个限界面A(类似于图3针对止挡所示的那样)。但是这些横销3按本发明现在设置在第一层2a中并且因此明显小于已知解决方案中的横销。因此，附着倾向和不期望的滞后可以显著地减小。在所示的例子中，止挡4与振动质量2类似地构造，即，同样在止挡4的仅第一层4a中具有横销5。
通过在制造加速度传感器1时的相应加工，例如通过蚀刻，可以相对简单地制造横销3和5。在此，这些层2a、2b和4a、4b的布置非常适合于MEMS工艺中的材料加工。
在这里指出，为了更好的清晰度，没有示出弹簧，这些弹簧与振动质量2形成一个弹簧质量系统。同样地没有示出前止挡和后止挡。尽管在图1中在两个正交的方向上用箭头表示了振动质量2的运动，但是也可能的是，本发明也涉及这样一些加速度传感器，这些加速度传感器可以测量沿单纯一个方向的加速度或者也可以测量所有三个维度的加速度。技术人员能够毫不费力地将此处公开的教导应用到其它的结构形式上。
此外指出，这些层2a和2b的或者4a和4b的布置仅仅是很多可能性中的一种。毫无疑问，例如也可以想到竖直的或者倾斜的层。在此重要的是，限界面A或限界面B通过这些层2a、2b或4a、4b细分，以便能够制造相应小的横销3或横销5。
图2示出一种止挡4的变型，该止挡不具有任何横销5。因此，在这种情况下，(未示出的)振动质量2仅在第一层2a中具有相应的横销3，以至于避免了振动质量2的整个限界面A与止挡4的整个限界面B的贴靠。以这种方式能够阻止出现过高的保持力。显然，当止挡4具有相应的横销5时，振动质量2也可以构造成没有横销。在这里，在功能上仅有很小的差别。
图3示出了止挡4的另一种变型，该止挡4在整个限界面B上具有横销5。因此，在这种情况下，(未示出的)振动质量2再次仅在第一层2a中具有相应的横销3，以至于避免了振动质量2的整个限界面A与止挡4的整个限界面B的贴靠。以这种方式能够再次阻止出现过高的保持力。显然，当止挡4具有相应的横销5时，振动质量2在此也可以构造为具有高的横销。在这里，在功能上仅有很小的差别。
图4最后示出了本发明的一种变型，其中振动质量2由三个竖直的层2a、2b和2c构成并且一横销3设置在第一层2a中。止挡4同样由三个竖直的层4a、4b和4c构成并且在第一层2a中具有一横销5。所述横销3和横销5在此设置在限界面A和B的对角地相对置的角部中。
在这里指出，在所有变型中，第一层2a都可以由与第二层2b相同的材料制成或者由各种不同的材料制成。在所有的变型中，在第一层2a和第二层2b之间也可以设置一间隔层。相同的内容以类似的方式适用于止挡4的第一层4a和第二层4b。
最后指出，即便本发明仅仅根据加速度传感器的专门应用情形做了说明，本发明仍涉及大量的应用情形。但是对于技术人员来说容易并且因此在他的能力范围之内的是，针对他的需要、例如针对转速传感器和麦克风匹配本发明。

Claims (10)

1.微机械装置(1)，包括：
具有一些限界面(A)的活动元件(2)，和
具有一些限界面(B)的止挡(4)，所述止挡限制所述活动元件(2)的运动，其中
a)所述活动元件(2)由至少一个第一层(2a)和一个第二层(2b)组成，所述第一层(2a)和第二层(2b)这样地布置，使得它们分割至少一个限界面(A)，至少一个仅仅设置在所述第一层(2a)中的横销(3)从所述限界面(A)中伸出，所述横销(3)用于限制所述活动元件(2)的运动，其中，所述活动元件(2)仅仅在所述活动元件(2)的第一层(2a)中具有至少一个横销(3)，和/或
b)所述止挡(4)由至少一个第一层(4a)和一个第二层(4b)组成，所述第一层(4a)和第二层(4b)这样地布置，使得它们分割至少一个限界面(B)，至少一个仅仅设置在所述第一层(4a)中的横销(5)从所述限界面(B)中伸出，所述横销(5)用于限制所述活动元件(2)的运动，其中，所述止挡(4)仅仅在所述止挡(4)的第一层(4a)中具有至少一个横销(5)。
2.如权利要求1的微机械装置(1)，其特征在于，既实施情况a)又实施情况b)，并且，所述活动元件(2)的所述至少一个横销(3)和所述止挡(4)的所述至少一个横销(5)被这样地构造，使得所述活动元件(2)的所述至少一个横销(3)在限制所述活动元件(2)的运动时与所述止挡(4)的所述至少一个横销(5)共同作用。
3.如权利要求1的微机械装置(1)，其特征在于，仅仅实施情况a)或者情况b)，并且，
在情况a)中，所述止挡(4)具有连续的限界面(B)，所述限界面(B)用于限制所述活动元件(2)的运动，或者，
在情况b)中，所述活动元件(2)具有连续的限界面(A)，所述限界面(A)用于限制所述活动元件(2)的运动。
4.如权利要求1的微机械装置(1)，其特征在于，仅仅实施情况a)或者情况b)，并且，
在情况a)中，所述止挡(4)由至少一个第一层(4a)和一个第二层(4b)组成，所述第一层(4a)和第二层(4b)这样地布置，使得它们分割至少一个限界面(B)，至少一个设置在所述第一层(4a)和第二层(4b)中的横销(5)从所述限界面(B)中伸出，所述横销(5)用于限制所述活动元件(2)的运动，或者，
在情况b)中，所述活动元件(2)由至少一个第一层(2a)和一个第二层(2b)组成，所述第一层(2a)和第二层(2b)这样地布置，使得它们分割至少一个限界面(A)，至少一个设置在所述第一层(2a)和第二层(2b)中的横销(3)从所述限界面(A)中伸出，所述横销(3)用于限制所述活动元件(2)的运动。
5.如上述权利要求之一的微机械装置(1)，其特征在于，所述活动元件(2)的第一层(2a)形成所述活动元件(2)的限界面(A)的不足20％，和/或，所述止挡(4)的第一层(4a)形成所述止挡(4)的限界面(B)的不足20％。
6.如权利要求1至4之一的微机械装置(1)，其特征在于，所述活动元件(2)的所述至少一个横销(3)的面积形成所述活动元件(2)的限界面(A)的不足4％，和/或，所述止挡(4)的所述至少一个横销(5)的面积形成所述止挡(4)的限界面(B)的不足4％。
7.如权利要求1至4之一的微机械装置(1)，其特征在于，所述活动元件(2)的所述至少一个横销(3)的面积和/或所述止挡(4)的所述至少一个横销(5)的面积小于10μm2。
8.用于制造微机械装置(1)的方法，包括以下步骤：
将一第二层(2b)施加到一第一层(2a)上以形成具有一些限界面(A)的活动元件(2)，其中，所述第一层(2a)和第二层(2b)这样地设置，使得它们分割至少一个限界面(A)，
仅仅在所述第一层(2a)中形成至少一个横销(3)，其中，所述至少一个横销(3)从所述至少一个限界面(A)中伸出，和
形成一止挡(4)，所述止挡(4)设置用于在与所述至少一个横销(3)接触时限制所述活动元件(2)的运动。
9.用于制造微机械装置(1)的方法，包括以下步骤：
形成活动元件(2)，
将一第二层(4b)施加到一第一层(4a)上以形成具有一些限界面(B)的止挡(4)，其中，所述第一层(4a)和第二层(4b)这样地设置，使得它们分割至少一个限界面(B)，
仅仅在所述第一层(4a)中形成至少一个横销(5)，其中，所述至少一个横销(5)从所述至少一个限界面(B)中伸出并且设置用于限制所述活动元件(2)的运动。
10.如权利要求9的方法，其特征在于，形成活动元件(2)包括：
将第二层(2b)施加到第一层(2a)上以形成具有一些限界面(A)的活动元件(2)，其中，所述第一层(2a)和第二层(2b)这样地设置，使得它们分割至少一个限界面(A)，和
在所述第一层(2a)中形成至少一个横销(3)，其中，所述至少一个横销(3)从所述至少一个限界面(A)中伸出，其中，所述活动元件(2)的所述至少一个横销(3)和所述止挡(4)的所述至少一个横销(5)这样地构造，使得所述活动元件(2)的所述至少一个横销(3)在限制所述活动元件(2)的运动时与所述止挡(4)的所述至少一个横销(5)共同作用。
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