CN109073673B - 微机械传感器和用于制造微机械传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械传感器(200)，具有：‑衬底(1)；‑在三个空间方向(x、y、z)上敏感的、能运动的质量元件(10)；‑用于感测所述能运动的质量元件(10)的横向x偏移的两个x横向电极(20、21、22)；‑用于感测所述能运动的质量元件(10)的横向y偏移的两个y横向电极(30、31、32)；‑用于感测所述能运动的质量元件(10)的z偏移的z电极(33、34)；其中，‑每个横向电极(20、21、22、30、31、32)借助于固定元件(40、50、60、70)固定在所述衬底(1)上；其中，‑所有电极(20、21、22、30、31、32、33、34)的固定元件(40、50、60、70、120、130)构造得靠近使所述能运动的质量元件(10)附接于所述衬底(1)的附接元件(13)。

Description

微机械传感器和用于制造微机械传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种微机械传感器。本发明还涉及一种用于制造微机械传感器的方法。

背景技术

通常，加速度传感器构造为用于三个笛卡尔探测方向x、y和z的各个分开的芯。在此典型地，x通道和y通道是质量-弹簧结构，所述质量-弹簧结构由于在平面中(英语，in-plane)的加速度经历在平面中的线性运动。典型地，z通道加速度传感器是弹簧-质量结构，该弹簧-质量结构由于从平面向外指向(英语，out-of-plane)的加速度经历围绕通过扭转弹簧限定的旋转轴线的旋转运动。用于节省芯片面积的替代方案是可以通过单个震动质量探测所有三个加速度方向的芯的实施方案。

这种结构(经常被称为单质量振荡器)例如由DE 10 2008 001 442 A1以及由DE10 2012 200 740 A1已知。在此提出仅具有两个弹簧元件的单质量振荡器，所述弹簧元件根据加速度向量的方向得到沿确定方向的弯曲或围绕确定轴线的旋转。由此，通过合适的电极布置能够以单个可运动的质量探测所有三个加速度方向。所示出的结构对于机械应力或热机械应力是相对敏感的，因为电极的悬置点与质量的悬置点相比在衬底延展或弯曲的情况下经历稍微不同的位移。这导致错误信号、尤其导致不期望的偏移信号。

在DE 10 2012 200 740 A1中，固定电极的尽可能中心的悬置被证明为有利的，因为由此可以减小例如在电路板装配时产生的衬底扭曲的影响。所公开的传感器示出在电路板装配时的或在装配之后在温度变化的情况下的仅仅不足够的偏移性能。无差分的电极单元的问题通过以下方式解决：可以实现具有全差分布置的、通过可露出的第二微机械功能层悬置的固定电极。

在此，第二微机械功能层在第一微机械功能层下方布置，并且典型地但不必然地构造得比该第一微机械功能层薄。用于x探测和y探测的向外伸出的悬臂以及x电极锚定装置和y电极锚定装置(所述锚定装置与质量的悬置装置不一致)的布置也使该布置保持对于确定的衬底变形和两个微机械层的热机械特性的材料固有的变化敏感。例如下面的微机械层可以基于不同的制造条件(例如不同的掺杂、不同的晶体结构等)关于温度方面相比于上面的微机械层稍微不同地延展。这可以在温度变化的情况下导致固定的和可运动的电极指之间的不期望的相对移动并且因此导致偏移信号。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供相对于上述概念改进的微机械传感器。

根据第一方面，所述任务通过微机械传感器解决，所述微机械传感器具有：

-衬底；

-在三个空间方向上敏感的、可运动的质量元件；

-用于感测可运动的质量元件的横向x偏移的两个x横向电极；

-用于感测可运动的质量元件的横向y偏移的两个y横向电极；

-用于感测可运动的质量元件的z偏移的z电极；其中，

-每个横向电极借助于固定元件固定在衬底上；其中，

-所有电极的固定元件构造得靠近使可运动的质量元件附接于衬底的附接元件。

由于探测元件的特定构造，微机械传感器对于衬底扭曲的敏感性有利地降低。以该方式有利地改善微机械传感器的传感特性或偏移性能。

根据第二方面，所述任务通过用于制造微机械传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：

-提供衬底；

-提供可运动的、在三个空间方向上敏感的可运动的质量元件；

-构造两个x横向电极；

-构造两个y横向电极；

-构造两个z电极；并且

-将全部电极固定得靠近使可运动的质量元件附接于衬底的附接元件。

微机械传感器的优选实施方式是从属权利要求的主题。

微机械传感器的有利扩展方案的特征在于，横向电极的电极脊形部(Elektrodenrücken)相对于传感器的纵向尺寸而言构造得较短。以该方式，横向电极的探测指的悬臂构造得短，由此的结果是促进整个传感器相对于衬底扭曲的不敏感性。

微机械传感器的另一有利扩展方案设置为，电极脊形部的长度大约为传感器的一半纵向尺寸的三分之一。以该方式，实现电极脊形部相对于传感器的总尺寸而言有利的大小比例。

微机械传感器的另一有利扩展方案的特征在于，用于电极的导电元件构造在传感器的第一和第二功能层中。以该方式可以按照表面微机械学的已证明适合的原理实施微机械传感器的制造。

微机械传感器的另一有利扩展方案的特征在于，横向电极的探测指和电极脊形部构造在传感器的第三功能层中。由此也通过已证明适合的表面微机械过程促进传感器的简单的可制造性。

附图说明

下面参照多个附图以其他特征和优点详细描述本发明。在此，所有公开的特征与它们在权利要求中的引用关系无关地以及与它们在说明书和附图中的描述无关地形成本发明的主题。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其被考虑用于阐释本发明重要的原则并且不必按正确比例示出。

公开的方法特征类似地由相应公开的装置特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于微机械传感器的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由关于用于制造微机械传感器的方法的相应实施方案、特征和优点得出，反之亦然。

在附图中示出：

图1传统的微机械z-加速度传感器的可运动的质量元件；

图2根据本发明的微机械传感器的实施方式的俯视图；

图3根据本发明的微机械传感器的实施方式的最下层的俯视图；

图4根据本发明的、具有另外的功能层的微机械传感器的实施方式的俯视图；

图5根据本发明的微机械传感器的实施方式的立体视图；

图6沿着图2的剖面A-A的剖面图；

图7沿着图2的剖面B-B的剖面图；

图8沿着图2的剖面C-C的剖面图；

图9沿着图2的剖面D-D的剖面图；

图10微机械传感器的替代实施方式的俯视图；

图11微机械传感器的另一替代实施方式的俯视图；和

图12用于制造根据本发明的微机械传感器的方法的原理流程。

具体实施方式

本发明的基本思想在于，使用于微机械加速度传感器的所有电极的悬置或固定结构尽可能靠近中心地构造或布置。以该方式，衬底扭曲使传感器的传感特性尽可能小地受损，由此可以显著地改善传感器的偏移性能。传感器的所有电极按照已知的全差分原理构造，在该全差分原理中基于移位的可运动的震动质量感测和分析处理电容变化。

提出一种合适的弹簧-质量结构与用于x探测、y探测和z探测的电极的特定全差分布置的组合，该弹簧-质量结构对于在所有三个空间方向上的加速度敏感。在此，为了对于x轴和y轴的横向固定电极的悬置和布置，对于每个极性设置至少两个悬置装置。由此能够实现电极和质量悬置装置的更好的对称条件并且更好地平衡确定的衬底变形。此外，固定电极的悬臂或电极脊形部相对于总长度而言构型得短，使得自身可能在锚定区域中或在微机械层中产生的变形以明显小于现有技术的程度影响可运动的电极和固定电极之间的间距的变化。由此在整体上引起加速度传感器的明显改善的偏移性能。

图1以立体视图示出呈摆杆形式的、可运动的震动质量元件10，该震动质量元件借助于中心附接元件13与衬底1固定或附接到该衬底上。左摆杆臂的震动质量大于右摆杆臂的质量并且以该方式实现可运动的质量元件10的质量不对称性。在附接元件13上布置有沿y方向取向的弹簧11。在弹簧11的外部上布置有质量元件10，该质量元件是呈具有非对称分布的质量的框架的形式。在弹簧11旁边的两侧存在探测指12，所述探测指用于沿x方向和y方向的横向加速度的探测。在下方布置的微机械功能层(未示出)用于平面外通道z的探测。

图2示出根据本发明的微机械传感器200的实施方式的俯视图。可看出四条剖面线A-A、B-B、C-C和D-D，所述剖面线在其他附图中详细阐释。可看出，x电极固定元件40、50和y电极固定元件60、70布置在用于可运动的质量元件10的中心附接元件13上。因此，对于横向的x电极和y电极(“平面内电极”)分别将两个彼此分开的固定元件40、50布置得靠近用于可运动的质量元件10的中心附接元件13。此外，还有两个z电极33、34(“平面外电极”)布置得靠近中心附接元件13。因此，结果是所有电极靠近中心附接元件13地与衬底1连接，由此有利地实现微机械传感器200的紧凑结构方式。

图3示出用于实现所提到的电极的电附接的导电元件80...130的实施方案。所有提到的导电元件80...130构造在微机械传感器200的第一个或最下面的(优选由多晶硅构造的)微机械功能层中。在此，用于横向x电极和用于横向y电极的导电元件80、90或100、110分别双重地构造。

导电元件80、90具有合适的电势，从而可以探测横向x电极指之间的探测指12的运动。导电元件100、110具有合适的电势，从而可以探测横向y电极指之间的探测指12的运动。导电元件120、130具有合适的电势用于探测震动质量元件10沿z方向的偏移。

图4示出具有在导电元件80、90、100、110、120、130的区域中的附加微机械功能层的微机械传感器200的结构。可看出，导电元件80、90、110靠近中心附接元件13地L形地构造，从而以该方式实现横向的x电极和y电极的电附接。所提到的L形元件构造在微机械传感器200的(优选由多晶硅构造的)第二微机械功能层中，该第二微机械功能层布置在最下面的功能层上。

图5示出所提出的具有全部微机械功能层的微机械传感器200的实施方式的立体视图。可看出用于探测沿x方向的加速度的x电极指21、22，所述x电极指分别与质量元件10的可运动的探测指12共同作用。可看出，两个同样的结构关于中心附接元件13相对彼此对角错位地布置。此外，为了探测横向y偏移而设置y电极指31、32，所述y电极指分别与质量元件10的可运动的探测指12共同作用。横向电极20、21、22或30、31、32关于中心附接元件13相对彼此对角错位地布置。

可看出两个x电极脊形部20，在其上布置有x电极指21、22，其中，在各两个x电极指21、22之间布置有可运动的质量元件10的探测指12。为了探测可运动的质量元件10沿y方向的偏移，设置两个具有在其上构造的y电极指31、32的y电极脊形部30，其中，各两个y电极指31、32与相应一个可运动的探测指12相互作用。y电极结构可以借助于导电元件100、110在电势方面被合适地加载，x电极结构同样借助于导电元件80、90在电势方面被合适地加载。在此，根据应用情况，电极脊形部20、30可以具有相同或不同的电势。

电极脊形部20、30的尺寸大约为微机械传感器200的一半长度的三分之一。两个z电极33、34布置在各两个横向电极之间，从而以该方式实施用于微机械传感器200的紧凑的探测结构。

图6是图2所提出的微机械传感器200的沿着剖面线A-A的剖面图。可看出，z电极33、34通过导电元件130、120附接到传感器200的最下面的微机械功能层。在这里也可看出z电极33、34的全差分构造，其中，在z电极33下方构造具有z电极34的电势的导电元件120。在z电极33、34和导电元件120、130之间分别构造有可运动的质量元件10的探测指12。

图7示出图2所提出的传感器200的沿着剖面线B-B的剖面图。可看出在最下面的功能层中的导电元件80、90、100、110用于横向x电极和y电极的电附接。还可看出，z电极33、34如横向的电极脊形部20、30那样与L形的固定元件40、50、60和70一起靠近中心附接元件13或弹簧11地布置。

图8示出图2所提出的结构的沿着剖面线C-C的剖面图。可看出横向x电极的x电极指21、22和横向y电极的y电极指31、32，所述x电极指和y电极指分别布置在构造在第二功能层中的L形的固定元件50或70上。

在图9中示出微机械传感器200的沿着剖面线D-D的剖面图。除了图8的元件之外附加地，可看出可运动的质量元件10的探测指12。在这里也可看出在传感器200的第二微机械功能层的导电元件120、130，其中，导电元件130设置用于z电极33的电附接，并且导电元件120设置用于z电极34的电附接。

图10示出所提出的微机械传感器200的第一替代方案的俯视图。在这种情况下，x电极脊形部20关于中心附接元件13不是对角地布置，而是相对置地布置，同样的适用于y电极脊形部30。在结构上相对于图5至9的布置不存在区别，但是其中，在这里电极脊形部30中的一个电极脊形部具有导电元件100的电势，并且另一个电极脊形部30具有导电元件110的电势。两个电极脊形部20均具有与导电元件90相同的电势。

图11示出根据本发明的微机械传感器200的第二替代方案的俯视图。在这种情况下横向x电极的两个L形的固定元件50被加载以导电元件80的电势，并且横向x电极的两个L形的固定元件40被加载以导电元件90的电势。两个横向y电极的固定元件60被加载以导电元件100的电势并且两个横向y电极的固定元件70被加载以导电元件110的电势。

由图10和11的变型方案可看出，能够有利地以简单的方式实现电极脊形部20、30以导电元件80至110的合适的电势的加载。

在附图5、10、11中示出的电极配置中的哪种电极配置针对衬底扭曲具有特别高的不敏感性，这根本上取决于衬底扭曲的类型，该衬底扭曲对于芯片中的传感器芯的不同安装位置和对于不同的壳体变型方案可以是不同的。因此，根据壳体的边界条件可以对于具体的产品选择相应最佳的电极配置。

图12示出所提出的方法的原理流程：

在步骤300中提供衬底1。

在步骤310中提供可运动的、在三个空间方向x、y、z中敏感的、可运动的质量元件10。

在步骤320中构造两个x横向电极20、21、22。

在步骤330中构造两个y横向电极30、31、32。

在步骤340中构造两个z电极。

在步骤350中将全部电极20、21、22、30、31、32、33、34固定得靠近使可运动的质量元件10附接于衬底1的附接元件13。

在此，所述步骤的顺序也可以改变。

总结而言，通过本发明提出一种借助于表面微机械方法可制造的微机械传感器，该微机械传感器以有利的方式实现优化的传感性能，其方式是，所有探测相关的元件尽可能靠近质量悬置装置地布置。以该方式，衬底可以与可运动的质量元件尽可能相同地翘曲。结果是，由此有利地提高加速度传感器相对于衬底扭曲的不敏感性。

结果是，由此提供作为单质量振荡器的加速度传感器，对于该加速度传感器能够在单个芯中实现x加速度、y加速度和z加速度的探测，并且该加速度传感器同时具有抵抗衬底扭曲的极好稳固性和在电路板装配时以及在传感器壳体中出现热机械应力时的好的偏移性能。

虽然前面已参照具体实施例描述本发明，但本领域技术人员也可以实现前面未公开或仅部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。

Claims (9)

1.微机械传感器（200），具有：

-衬底（1）；

-在三个空间方向（x、y、z）上敏感的、能运动的质量元件（10）；

-用于感测所述能运动的质量元件（10）的横向x偏移的两个x横向电极结构；

-用于感测所述能运动的质量元件（10）的横向y偏移的两个y横向电极结构；

-用于感测所述能运动的质量元件（10）的z偏移的z电极结构；其中，

-每个横向电极结构借助于固定元件（40、50、60、70）固定在所述衬底（1）上；其中，

-所有电极结构的固定元件（40、50、60、70、120、130）构造得靠近使所述能运动的质量元件（10）附接于所述衬底（1）的附接元件（13），其中，

两个x横向电极结构中的每个x横向电极结构和两个y横向电极结构中的每个y横向电极结构分别包括两个固定元件，其中，

两个x横向电极结构中的每个x横向电极结构和两个y横向电极结构中的每个y横向电极结构分别包括形成在第三功能层中的多个电极指，其中，

每个x横向电极结构的多个x电极指中的一半x电极指和每个y横向电极结构的多个y电极指中的一半y电极指位于形成在第二功能层中的所述固定元件上方，其中，

每个x横向电极结构的多个x电极指中的另一半x电极指和每个y横向电极结构的多个y电极指中的另一半y电极指分别在所述第三功能层中直接相互连接。

2.根据权利要求1所述的微机械传感器（200），其特征在于，所述横向电极结构的电极脊形部（20、30）相对于所述传感器（200）的纵向尺寸而言构造得短。

3.根据权利要求2所述的微机械传感器（200），其特征在于，所述电极脊形部的长度大约为所述传感器（200）的一半纵向尺寸的三分之一。

4.根据前述权利要求中任一项所述的微机械传感器（100），其特征在于，用于所述电极结构的导电元件（80、90、100、110、120、130）构造在所述传感器（200）的第一和第二功能层中。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械传感器（100），其特征在于，所述横向电极结构的探测指（21、22、31、32）和电极脊形部（20、30）构造在所述传感器（200）的第三功能层中。

6.用于制造微机械传感器（200）的方法，所述方法具有以下步骤：

-提供衬底（1）；

-提供能运动的、在三个空间方向（x、y、z）上敏感的能运动的质量元件（10）；

-构造两个x横向电极结构；

-构造两个y横向电极结构；

-构造两个z电极结构；并且

-将全部电极结构固定得靠近使所述能运动的质量元件（10）附接于所述衬底（1）的附接元件（13），其中，

两个x横向电极结构中的每个x横向电极结构和两个y横向电极结构中的每个y横向电极结构分别包括两个固定元件，其中，

两个x横向电极结构中的每个x横向电极结构和两个y横向电极结构中的每个y横向电极结构分别包括形成在第三功能层中的多个电极指，其中，

每个x横向电极结构的多个x电极指中的一半x电极指和每个y横向电极结构的多个y电极指中的一半y电极指位于形成在第二功能层中的所述固定元件上方，其中，

每个x横向电极结构的多个x电极指中的另一半x电极指和每个y横向电极结构的多个y电极指中的另一半y电极指分别在所述第三功能层中直接相互连接。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述横向电极结构的电极脊形部（20、30）的长度构造得大约为所述传感器（200）的一半纵向尺寸的三分之一。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，用于所述电极结构的导电元件（80、90、100、110、120、130）构造在所述传感器（200）的第一和第二功能层中。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述横向电极结构的探测指（21、22、31、32）和电极脊形部（20、30）构造在所述传感器（200）的第三功能层中。

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