CN106093470A - 用于微机械传感器的振动感测元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于微机械传感器的振动感测元件(100)，具有第一功能层(EP)、第二功能层(OK)和第三功能层(FP)，其中，所述第二功能层(OK)布置在所述第一功能层(EP)和所述第三功能层(FP)之间，在所述第二功能层(OK)中构造有限定数量的空穴(50)，在所述空穴(50)之间布置有增强元件(60)，所述增强元件与所述第一功能层(EP)和与所述第三功能层(FP)固定连接。本发明还涉及一种具有所述振动感测元件(100)的微机械传感器一种用于制造微机械传感器用的振动感测元件(100)的方法。

Description

用于微机械传感器的振动感测元件
技术领域
本发明涉及一种用于微机械传感器的振动感测元件。本发明还涉及一种用于制造微机械传感器用的振动感测元件的方法。
背景技术
用于测量物理加速度的常规传感器通常具有用硅制成的微机械结构(传感器芯)和计算分析电子器件。传感器芯使得能够测量与传感器芯主平面正交的方向上的加速度，这种传感器芯被称为Z传感器。这种传感器在汽车领域中在例如ESP系统中使用，或者在移动电话领域中使用。
EP 0 244 581 A1公开了一种微机械传感器，用于自动触发乘员保护装置的目的。
EP 0 773 443 B1公开了一种微机械加速度传感器。
DE 10 2007 060 878 A1和DE 10 2009 000 167 A1公开了微机械系统，它们不是仅由单个紧凑层构成，而是结构化到两个不同的硅层中。因此可构成可运动的“盆形”结构。
发明内容
本发明的任务是，提出一种改善的、用于微机械传感器的振动感测元件。
根据第一方面，该任务通过一种用于微机械传感器的振动感测元件完成，所述振动感测元件包括：
-第一功能层、第二功能和第三功能层，其中，所述第二功能层布置在所述第一功能和第三功能层之间；其中，
-在所述第二功能层中布置有限定数量的空穴；其中，
-在所述空穴之间布置有增强元件，所述增强元件与所述第一功能层和与所述第三功能层固定连接。
通过这种方式可实现振动感测元件的良好健壮性。此外，所述第一功能层和所述第三功能层通过位于它们之间的所述第二功能层的所述空穴有利地能够相互独立地结构化。
根据第二方面，所述任务通过一种应用制造微机械传感器用的振动感测元件的方法解决，该方法具有如下步骤：
-构造第三功能层；
-在所述第三功能层上区段式地构造第二功能层；和
-在所述第三功能层和所述第二功能层上构造第一功能层。
所述振动感测元件的优选实施方式是从属权利要求的主题。
所述振动感测元件的一个有利的扩展方案特征在于，所述第一功能层具有第一穿孔并且所述第三功能层具有第二穿孔。通过这种方式支持实现所述振动感测元件的技术特殊性。
所述振动感测元件的进一步有利的扩展方案特征在于，所述第二穿孔的直径限定为小于所述第一穿孔的直径，或者，所述第二穿孔的直径基本上等于所述第一穿孔的直径。通过这种方式能够有利地支持所述振动感测元件的在结构设计可能性的多样化。
所述振动感测元件的进一步有利的扩展方案特征在于，所述振动感测元件构造为Z传感器的不对称构造的摇摆装置。由此提供所述振动感测元件的有利的技术应用。
在所述振动感测元件的进一步有利的扩展方案中，所述摇摆装置的不对称构造为所述摇摆装置的几何不对称和/或质量不对称。由此可提供Z传感器的有益的感测性能。
所述振动感测元件的进一步有利的扩展方案特征在于，所述空穴构造在所述摇摆装置的摇摆臂的至少一个中。由此也支持微机械Z传感器的高度结构设计多样性。
在所述振动感测元件的进一步有利的扩展方案中，所述增强元件至少点状地与所述第一和第三功能层连接。通过这种方式也有利地提高了所述振动感测元件的设计多样性。
附图说明
下面借助于多个附图通过进一步的特征和优点详细说明本发明。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图不是严格按照比例制作的。
在附图中示出：
图1用于微机械Z传感器的、已知振动感测元件的横剖面视图；
图2用于微机械Z传感器的、另一已知的振动感测元件的横剖面视图；
图3图2的振动感测元件的更高详细程度的横剖面视图；
图4用于微机械Z传感器的、已知的振动质量元件的横剖面视图；
图5根据本发明的用于微机械Z传感器的振动质量元件的实施方式的横剖面视图；和
图6用于制造微机械传感器用的振动质量元件的方法的实施方式的原理流程图。
具体实施方式
图1以横剖面图简化地示出了用于微机械Z传感器的、呈摇摆装置形式的已知振动感测元件100。
可以看出，该摇摆装置的总体结构由三个功能层实现，即处于上部的第一功能层EP、布置在第一功能层EP和第三功能FP之间的第二功能层OK以及处于下部的第三功能层FP。第二功能层OK在此也可以按照要求取消。两个摇摆臂20、21具有第二穿孔30，这些第二穿孔可优选构造在第三功能层FP中。在第一摇摆臂20的第一功能层EP中构造第一穿孔31，它的孔洞限定为比第二穿孔30的孔洞大。
两个摇摆臂20、21的第二穿孔30可构造为基本上同样大小或者不同大小。
第二穿孔30的通孔的大小优选在大约0.5μm至大约0.2μm的范围中。第一穿孔31的通孔的大小优选在大约2μm至大约3μm的范围中。上述穿孔30、31的差异是由工艺决定的，只能有限地改变。它们首先是源于，在制造工艺中能够将位于下面的层借助蚀刻气体蚀刻掉。借助构造有限定刚度的扭转弹簧10，摇摆装置100的结构以可旋转或者说可扭转的方式支承在硅基底1上或者悬挂在该硅基底上。
可看出，摇摆臂20、21关于扭转弹簧10而言由于不相同的质量分布而不对称地构造。所述不对称在摇摆臂20、21基本等长(几何对称)的情况下可以通过摇摆臂20、21的不对称的质量分布来实现，例如由摇摆臂20、21的上述不同穿孔30、31和两个摇摆臂20、21的不同厚度引起的不对称质量分布。但附加地或替换地，该不对称也可通过两个摇摆臂20、21的不对称几何形状(例如不同的臂长度)实现。
作为相对于摇摆装置的主平面正交地起作用的加速度(Z方向上的竖向加速度)的结果，摇摆装置的结构会由于两个摇摆臂20、21的不对称而围绕扭转弹簧10扭转。摇摆装置通过电路(未示出)被保持在限定的电势上，其中，为测量目的而使用的布置在摇摆装置下方的、固定的第二电极(未示出)被保持在另一限定的电势上。可以看出摇摆臂20、21的“盆形”结构，其中，在盆形结构的上方布置有固定的电极40。
摇摆装置的倾斜度改变借助分析计算电路(例如ASIC，未示出)通过对电极40上的电荷变化的感测和分析计算来探测。通过这种方式可求得作用于微机械Z传感器100上的竖直加速度(在Z方向上)。
图2显示，对于振动感测元件100可以设置：在第一摇摆臂20中构成空穴50。空穴50可构造于其中存在具有足够质量的第一功能层EP的每个摇摆臂20、21中(“摇摆装置的质量侧”)。
图3以更高的详细程度示出了图2的振动感测元件100的横剖面图。由于第一摇摆臂20的第三功能层FP中的第二穿孔30和第一功能层EP中的第一穿孔31之间借助空穴50实现的连接，可以实现两个摇摆臂20、21的限定的阻尼特性。
在一种变型中，空穴50也可附加地布置在第二摇摆臂21中(未示出)。优选，空穴50可构造于存在具有足够质量的第一功能层EP的各处。此时在另一变型中也可设想，在两个摇摆臂20、21中分别也构造有多个空穴50(未示出)。
优选，所述穿孔30、31和空穴50的数量或位置适配于摇摆装置100的几何形状和/或结构设计。因此，上述元件在附图中的所有数量、尺寸和布置仅被看作示例性的和定性的。
在第一摇摆臂20中和/或第二摇摆臂21中，空穴50可大空间地和大面积地构造。在此，第三功能层FP可借助第二功能层OK附接在第一功能层EP的边缘上。通过这种方式，第三功能层FP在边缘之内是悬置的，并且可以在与第一功能层EP的结构化脱耦的情况下进行结构化。
由此，在不存在第二功能层OK的所有质量区域中在第三功能层FP上方产生空腔或者说空穴50。该空腔在气相蚀刻前被填充氧化物材料，因此停止第一功能层EP的刻槽过程，使得第三功能层FP能够与第一功能层EP的沟槽无关地借助结构化平面(未示出)来结构化。通过这种方式能够借助结构化平面实现第三功能层FP的第二穿孔30的相对小的孔洞。
图4示出穿过图2和3的已知摇摆装置的横剖面图。通过椭圆形标记可以清楚地看出，空穴50导致第三功能层FP构造得很大面积地并且可以说“悬置地”地悬挂在第一功能层EP的下方。大空间的空穴50可引起摇摆装置的在约百分之五数量级的质量损失，这对两个摇摆臂20、21的质量不对称产生不利影响，并且因此使摇摆装置100的灵敏度或敏感度变差。
为了提高上述悬置的面的稳定性，提议实现增强元件60。通过这种方式可有利地提高第三功能层FP的稳定性。
为了这个目的，提议，如在图5的横剖面图中所示，摇摆装置100的第一摇摆臂20的区域中的空穴50至少区段地借助增强元件60进行划分，结果使得实现第三功能层FP和第一功能层EP之间的具有增强元件60形式的固定附接部的多个空穴50。这可例如由此进行：第三功能层FP局部地一体地附接到第一功能层EP的质量上。
为此目的可设置，布置在第一功能层EP和第三功能层FP之间的氧化物(未示出)在工艺进程中只被部分地去除，其中，空穴50只部分地填充以EP多晶硅，使得在第一功能层EP和第三功能层FP之间构成桥接条式的增强元件60。结果，由此在第一功能层EP和第三功能层FP之间构成多个较小的空穴50。
这有利地导致，提高了第三功能层FP的机械稳定性或者说健壮性并从而提高整个振动感测元件100的机械稳定性或者说健壮性，因为第三功能层FP通过增强元件60加强。此外通过增强元件60提供用于振动感测元件100的质量。在振动感测元件100实现为摇摆装置的情况下，通过这种方式可提高两个摇摆臂20、21的质量不对称，由此有利地提高摇摆装置的灵敏度。Z传感器的功能原理基于第一摇摆臂20构造得尽可能重而第二摇摆臂21构造得尽可能轻，通过这种方式有利地支持了该功能原理。
优选，增强元件60沿y方向走向地平行于扭转弹簧10的轴线连续地经过整个第一摇摆臂20构成。增强元件60在xz平面中的横截面由气相蚀刻工艺决定基本上构造为矩形的或梯形的，其中，增强元件60的尺寸可具有微米范围内的微机械典型值。在一个变型中例如也可以是，增强元件60仅在位置上受限制地并且局部地，例如点状地，在一个或两个摇摆臂20、21的区域上构成。
图6示出用于制造微机械传感器用的振动感测元件的方法的实施方式的原理性流程图。
在第一步骤200中，构造第三功能层FP。
在第二步骤210中，在第三功能层FP上实施区段式地构造第二功能层OK。
在步骤220中，在第三功能层FP和第二功能层OK上构造第一功能层EP。
总之，提供本发明提供了一种用于微机械传感器的振动感测元件和一种用于制造这种感测元件的方法，它们使得能够提高微机械传感器的健壮性并改善微机械传感器的使用性能。这能够借助中间功能层中的专门增强的空穴或多个空穴以技术上简单的方式实现。
有利地可以是，所述原理也可应用在其它的传感器技术和传感器布局上，例如应用在压阻式微机械加速度传感器或转速传感器上。
尽管借助具体实施方式说明了本发明，但本发明绝对不限于这些具体实施方式。本领域技术人员知道，在不偏离本发明核心的情况下，可以做出前面没有说明过或只部分说明过的多种改型。

Claims (10)

1.用于微机械传感器的振动感测元件(100)，具有：
-第一功能层(EP)、第二功能层(OK)和第三功能层(FP)，其中，所述第二功能层(OK)布置在所述第一功能层(EP)和所述第三功能层(FP)之间；其中，
-在所述第二功能层(OK)中构造有限定数量的空穴(50)；其中，
-在所述空穴(50)之间布置有增强元件(60)，所述增强元件与所述第一功能层(EP)并与所述第三功能层(FP)固定连接。
2.根据权利要求1所述的振动感测元件(100)，其特征在于，所述第一功能层(EP)具有第一穿孔(31)并且所述第三功能层(FP)具有第二穿孔(30)。
3.根据权利要求2所述的振动感测元件(100)，其特征在于，所述第二穿孔(30)的直径限定为比所述第一穿孔(31)的直径小。
4.根据权利要求2所述的振动感测元件(100)，其特征在于，所述第二穿孔(30)的直径基本上等于所述第一穿孔(31)的直径。
5.根据前述权利要求中任一项所述的振动感测元件(100)，其特征在于，所述振动感测元件(100)构造为Z传感器的不对称地构造的摇摆装置。
6.根据权利要求5所述的振动感测元件(100)，其特征在于，所述摇摆装置的不对称构造为所述摇摆装置的几何不对称和/或质量不对称。
7.根据权利要求5或6所述的振动感测元件(100)，其特征在于，所述空穴(50)构造在所述摇摆装置的摇摆臂的至少一个中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的振动感测元件(100)，其特征在于，所述增强元件(60)至少点状地与所述第一功能层(EP)和第三功能层(FP)连接。
9.微机械传感器，具有根据前述权利要求中任一项所述的振动感测元件(100)。
10.用于制造微机械传感器用的振动感测元件(100)的方法，具有以下步骤：
-构造第三功能层(FP)；
-在所述第三功能层(FP)上区段式地构造第二功能层(OK)；和
-在所述第三功能层(FP)和所述第二功能层(OK)上构造第一功能层(EP)。
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