CN110642218B - 微机械构件和用于制造微机械构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微机械构件(1)，尤其是转速传感器，具有具有主延伸平面的衬底(10)和至少一个质量振子(12)，质量振子(12)通过一个或多个弹簧元件(13)相对于衬底(10)能振动地支承，其中，至少一个弹簧元件(13)具有第一弹簧部分元件(14)和第二弹簧部分元件(15)，第一弹簧部分元件(14)和第二弹簧部分元件(15)在垂直于主延伸平面的垂直方向(18)上叠置地布置并且在该垂直方向(18)上彼此间隔开。本发明涉及一种制造微机械构件(1)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械构件和一种用于制造微机械构件的方法。
背景技术
在现有技术中以各种不同的实施方式已知微机械构件及其制造方法。在出版物DE195 37 814 A1中例如说明了一种用于制造微机械传感器加速度传感器和转速传感器的方法。利用这种和类似的方法，产生也运动的硅结构，通过确定电容变化来测量其运动。这类方法的特征和进一步的讨论是，在第一步骤中通过蚀刻工艺制造可运动的硅结构，其中，在硅层中以大的纵横比产生沟槽(DE 42 41 045 C1)。在第二步骤中去除硅层下方的牺牲层(大多为氧化物层，参见例如DE 43 17 274 A1)。因此，获得了可相对于底座自由运动的硅结构。
此外，由DE 10 2011 080 978 A1已知一种方法，利用该方法可将多个可运动的MEMS结构上下叠置地布置。用这种和其他OMM技术(表面微机械技术)可以构建转速传感器。在所有这些方法中关键的是，功能层的结构化不是完全垂直地进行并且总是存在沟槽角度(即通过蚀刻产生的结构的侧壁的角度)的一定制造偏差。此外，总是存在沟槽结构的宽度一定制造偏差。趋势是，层越厚，沟槽结构的宽度波动越大。这些效果导致已知的OMM转速传感器的测量精度降低。
已知的OMM转速传感器大多基于以下基本概念：
两个质量块(可运动的OMM结构)反向平行地振动。通过科里奥利力，这些质量块垂直于各自的运动方向偏转，其中，两个质量块的垂直偏转也反向平行地进行。偏转被测量并且相应于要测量的转速。由于反向平行的偏转，可以在测量中清楚地区分施加在构件上的转速和引起平行偏转的加速度。
上面提到的非精确的垂直沟槽角度使得质量块也分别实施垂直于所希望运动方向的运动。这些质量块因而进行摆动运动。该摆动运动由于它们的运动方向而总是引起错误信号(所谓的Quadratur，正交差)。这种错误信号是不希望的并且降低了传感器的灵敏度。
对于旨在探测垂直于衬底平面的旋转的传感器，两个运动质量块也在该平面中受激振动，在此垂直于探测方向受激振动。然而，在这种情况下探测质量块在垂直于质量块运动方向的平面内的偏转。由于沟槽结构、特别是弹簧结构的宽度的偏差，可运动的质量块悬挂在刚度略微不同的弹簧上。弹簧悬挂装置中的这种不对称性导致平面中的摆动运动。这种摆动运动类似于第一个例子导致不希望的错误信号。
发明内容
在此背景下，本发明的一个目的是，提供一种用于转速传感器的装置和制造方法，其具有减小的正交差。此外，本发明的目的是，提供一种装置和制造方法，利用该装置和制造方法可以实现尺寸减小的转速传感器。
根据本发明，提出一种微机械构件，尤其是转速传感器，具有具有主延伸平面的衬底和至少一个质量振子，其中，质量振子通过一个或多个弹簧元件相对于衬底能振动地支承，其中，至少一个弹簧元件具有第一弹簧部分元件和第二弹簧部分元件，其中，第一弹簧部分元件和第二弹簧部分元件在垂直于主延伸平面的垂直方向上叠置地布置并且在该垂直方向上彼此间隔开。
根据本发明的微机械构件与现有技术相比具有的优点是，在弹簧元件由彼此间隔开的两个弹簧部分元件组成的情况下在宽度和沟槽角度方面的制造公差不如具有在具有可比较的垂直尺寸的单件式弹簧元件的情况下那么重要。概念“垂直”是指垂直于衬底平面的方向，部暗含与重力方向的关系。弹簧部分元件或单件式弹簧元件的垂直尺寸相当于层的厚度，从该层蚀刻出相应的结构。平行于衬底平面的方向在下文中也称为“横向”，在这些方向上的运动或变形相应地被称为垂直自由度和横向自由度。(除了例如由晶体结构引起的材料各向异性外)弹簧元件的形状和尺寸、特别是横截面的尺寸确定各种不同变形时的行为，特别是抗弯曲刚度。下面的讨论将仅限于简单的、具有恒定横截面的梁形弹簧，其上侧和下侧彼此平行，其侧壁由沟槽角度确定。发明构思不限于此，而是可以转用到更复杂的弹簧几何形状上。在完美的垂直沟槽角度的情况下，弹簧元件的横截面基本上是矩形的。横截面的横向和垂直尺寸(即宽度和高度)在此分别确定横向的和垂直方向的抗弯曲刚度。在完美的矩形横截面的情况下这两个自由度彼此脱耦，即，在垂直方向或横向方向上的弯曲分别仅产生垂直方向或横向方向上的应力，使得弹簧元件的横向受激的弯曲振动在进一步的时间进程内保持在横向平面中。相反，沟槽角度与垂直角度的偏差(即在侧面彼此不垂直的情况下的横截面)导致这两个自由度的机械耦合。在此，尤其是横向方向上的弯曲导致垂直方向上的应力，使得横向激励的弯曲振动总是包含垂直方向上的分量，因此产生正交误差。横向-垂直耦合的强度一方面由沟槽角确定，另一方面由纵横比(即横向尺寸与垂直尺寸或者说高度与宽度的比)确定，其中，纵横比越大则耦合程度越大。
现在，本发明的核心思想是，用两个弹簧部分元件代替具有高纵横比的单件式弹簧元件，两个弹簧部分元件的纵横比分别较小并且两个弹簧部分元件共同通过横向方向上的弯曲对悬挂式的质量振子起弹簧作用。在此，尽可能不失真的横向振动行为的前提条件是，两个弹簧部分元件尽可能精确地在垂直方向是叠置地布置，使得两个弹簧部分元件在垂直方向上看是相覆盖的。在这里“覆盖”应理解为，在弹簧部分元件向主延伸平面上垂直投影时，两个投影重叠或优选地最大程度地重叠或特别优选甚至重合。如果两个弹簧部分元件分别分开地从两个叠置的层中蚀刻出，则可以以有利的简单方式实现两个弹簧部分元件的这种覆盖，因为在现代制造方法中可以实现蚀刻结构的相对布置和取向的高精度。
除了针对制造公差的增强的鲁棒性之外，使用根据本发明的装置还可以实现较小的传感器。优选，弹簧元件在第一和第二弹簧部分元件之间具有空隙。由两个弹簧部分元件组成的弹簧元件比具有相同宽度和相同总高度的单件式弹簧元件具有较低的刚度，因为两个弹簧部分元件之间的空隙降低了整体刚度。因此，可以用较短的弹簧元件实现所希望的弹簧常数，从而有利地减小构件的尺寸。
根据本发明的优选实施方式，第一和第二弹簧部分元件之间的垂直距离大于第一弹簧部分元件的垂直延伸尺度和第二弹簧部分元件的垂直延伸尺度。如果弹簧由两个薄的弹簧部分元件组成，在弹簧部分元件垂直方向上的距离大于弹簧部分元件的垂直延伸尺度，则沟槽角度对正交的影响是次要的。对于平面外(Out-of-Plane)摆动运动起决定作用的是，两个弹簧元件相互校准得多好。在现代半导体制造方法中可以很好地实现覆盖精度。这种精度明显高于在20微米厚的层上从上向下在最好情况下可以实现的由沟槽角度决定的偏错。因此，可以制造探测衬底平面中的旋转的更灵敏的传感器。
根据本发明的另一优选实施方式，在第一和第二弹簧部分元件之间至少在部分区域中布置加强结构。例如可以通过在制造过程中沉积三个叠加的层来实现加强结构，其中，从第一和第三层蚀刻出两个弹簧部分元件并且从第二层蚀刻出加强结构。在此，加强结构优选地不延伸到弹簧元件的整个长度上，而是仅在部分区域中连接两个弹簧部分元件。通过这种局部连接使弹簧元件在横向方向上的刚度仅部明显地改变，而在垂直方向上的刚度明显提高。由于垂直方向上的刚度(平面外刚度)提高，垂直方向上的振动被抑制并且有利地减小了正交贡献。
根据本发明的另一优选实施方式，加强结构具有较高的刚度和/或弹簧部分元件在加强结构的区域中具有较大的宽度。以这种方式有目的地提高了加强区域中的平面外刚度，因此有利地使加强结构的正交贡献最小化。
根据本发明的另一优选实施方式，第一和第二弹簧部分元件基本上具有相同的横截面和/或彼此平行地延伸。
开头所述的发明目的还通过本发明方法实现。根据本发明，提出一种用于制造微机械构件的方法，其中，-在第一步骤中沉积具有主延伸平面的第一功能层，-在第二步骤中通过蚀刻第一功能层产生第一弹簧部分元件，-在第三步骤中沉积第二功能层，其中，第二功能层在垂直于主延伸平面的垂直方向上布置在第一功能层上方，-在第四步骤中通过蚀刻第二功能层产生第二弹簧部分元件，使得第二弹簧部分元件在垂直方向上与第一弹簧元件相覆盖。
两个弹簧部分元件中的每一个分别在分开的沉积过程和蚀刻过程中产生，其中，这样进行蚀刻，使得两个弹簧部分元件尽可能精确地上下叠置。如果弹簧由两个薄的弹簧部分元件构成，则由于较小的层厚度而在制造过程中在单个子弹簧宽度方面实现较小的波动。由于在弹簧宽度方面的预期较小的偏差，也可以减小平面中的摆动运动。因此可以制造探测垂直于衬底平面的旋转的更灵敏的传感器。由于弹簧部分元件由相对薄的层制成，可以更容易地实现所希望的机械性能，例如低的弹簧模量波动或晶体结构的一致性。结果，以这种方式制造的弹簧元件例如在预偏转或刚度偏差方面具有更好的品质。
根据本发明方法的优选实施方式，第一和第二功能层的沉积这样进行，使得第一和第二功能层具有基本相同的厚度。以这种方式使得通过接着的蚀刻有利地产生具有相似或相同垂直尺寸的弹簧元件。
根据本发明方法的另一优选实施方式，第一和第二功能层的蚀刻这样进行，使得第一和第二弹簧部分元件具有基本相同的蚀刻角度。这可以例如由此实现：第一和第二功能层用技术上相同的蚀刻方法或至少类似的蚀刻方法来蚀刻，使得两个弹簧部分具有相同或极相似的蚀刻角度。以这种方式有利地可以产生具有基本相同或极相似的横截面的弹簧部分元件。
根据本发明方法的另一优选实施方式，在第一步骤之后和第三步骤之前的第五步骤中沉积第三功能层，其中，第三功能层布置在第一和第二功能层之间。第三功能层有利地使得在之前和之后的步骤中沉积的第一和第二层被第三功能层的厚度间隔开。
根据本发明方法的另一优选实施方式，在第五步骤之后的步骤中，通过蚀刻第三功能层来产生加强结构，使得加强结构在垂直方向看与第一和第二弹簧元件相覆盖。以这种方式可以制造(如上关于加强结构所述)具有与现有技术的一体式弹簧元件相同或更高的面外刚度的弹簧元件其。由此制造的弹簧元件由于其由各一个处于厚的功能层下方和上方的部分元件构建并且与加强元件向结合而比仅从厚的功能层蚀刻出的弹簧元件具有更大的总高度。因此，这种新的弹簧在垂直方向上明显更坚硬。因此可以有利地减少寄生的振动模式。
附图说明
图1示出了根据现有技术的转速传感器的示意图。
图2示出了根据现有技术的另一转速传感器的示意图。
图3a-d示出了根据现有技术的由转速传感器的测量信号的探测原理和由制造公差引起的失真的示意图。
图4以示意图示出了根据现有技术的转速传感器和从属的弹簧元件的横截面的示意图。
图5示出了根据本发明实施方式的转速传感器和从属的弹簧元件的横截面的示意图。
图6示出了根据本发明实施方式的转速传感器和从属的弹簧元件的另一横截面的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的转速传感器1。在制造这种传感器1时，通常通过沉积厚硅层并接着蚀刻该层来制造硅结构2。在蚀刻时，在硅层中产生具有高纵横比的沟槽3(沟道槽)。在第二步骤中去除布置在厚硅层下方的牺牲层，使得由于产生的垂直间隙4而使硅结构2相对于衬底10的运动变得可能。在可运动的结构2下方还可以布置薄的多晶硅层，通过蚀刻从该多晶硅层产生另外的元件5,6，这些元件可以例如用作悬挂装置5或电极6。
图2示出了根据现有技术的另一转速传感器1。在所示实施方式中，通过从薄的多晶硅层蚀刻产生导体轨7。传感器1的可运动结构2被罩8气密地保护。罩晶片8可以用不同的键合方法施加到传感器晶片上，例如通过将罩8固定到传感器晶片上的连接材料11。在罩8中达到设置空腔9。
在图3a-c中示出了根据现有技术的转速传感器1的探测原理。为此激励两个分别悬挂在弹簧元件13上的质量振子12进行反向平行振动。在图3a中，这种反向平行振动没有外力、即在传感器1静止的情况下显示。另而如果在传感器上施加转速17，该转速的旋转轴线具有垂直于质量振子12的振动方向的分量(图3c)，则科里奥利力作用到质量振子上，该力导致垂直于振动方向并垂直于旋转轴线的附加偏转。在这里，反向平行运动方向相应地经受反向平行的偏转，而在图3b所示情况下存在外部(线性)加速度16期间，引起两个质量块12在相同方向(在所示情况下向下，向衬底方向)上的偏转。因此，通过比较两个质量块12的偏转，可以将施加的转速17的效果与施加的加速度16的效果清楚地分开。图3d示出了由制造公差引起的测量信号失真。为了能够在不失真的情况下充分利用图3c的探测原理，必须使横向方向19上和垂直方向18上的运动自由度彼此脱耦。横向方向19在这里应理解为平行于衬底平面的方向。在所示的二维图中，横向方向18相当于纸面的水平方向，但这示意性地表示也可具有垂直于纸面的分量的运动。由于制造过程中的波动，特别是由于弹簧元件13的非精确垂直的沟槽角度，产生横向自由度和垂直自由度的机械耦合，使得质量振子12的运动除了包含希望的振动方向19外还在没有外力的情况下包含在垂直方向18上的分量并且质量振子12由此实施在图3d中所示的摆动运动。由于不希望的耦合引起的这种摆动运动原则上不能与图3c中的由科里奥利力引起的垂直偏转区分开。对应的错误信号也称为正交差并且以不利的方式降低转速传感器1的灵敏度。
图4示出了具有典型制造公差的转速传感器。在图中右侧的俯视图中示出了质量振子12，其通过四个弹簧元件13与悬挂装置5连接并且通过静电驱动器23可以被激励相对于衬底10(在俯视图中未示出)振动。在该俯视图中还标记处剖切平面A，其延伸穿过弹簧元件13。在该俯视图的左侧示出了对应的剖面。为了理解本发明装置的功能方式及其与现有技术的区别，直观地看可以将弹簧13分解为两个部分。粗略地说，现有技术的弹簧13的情况下是，如果上部分的重心21处于下部分的重心22上方(这里相对于衬底10来理解上和下)，不会引起摆动运动。如果弹簧被倾斜地开槽(即相对于垂直方向成非零角度20)，则两个重心21,22不再上下叠置并且发生摆动运动。
图5示出了根据本发明实施方式的转速传感器1。从属与在俯视图中标记的剖切平面B的剖面在左侧示出。与图4中所示的弹簧横截面不同，弹簧元件13在这里由两个弹簧部分元件14和15构成，它们具有与图4中的弹簧元件13可比较的宽度26。它们各自从两个分开的薄层蚀刻出，其中，类似于图4，在此形成非精确垂直的沟道角度。然而，每个弹簧部分元件14和15自身具有明显较小的纵横比(高度与宽度)，使得倾斜的沟道角度导致横向自由度和垂直自由度之间的明显更小的耦合。对于整个弹簧13，耦合也是小的，前提是，第二弹簧元件15的重心25尽可能精确地处于第一弹簧元件14的重心24上方。与图4不同，下重心24和上重心25之间的偏错不是由沟道角度确定，而是由弹簧元件14和15相对于彼此的相对横向位置确定，但是在现代制造方法中该相对横向位置可以非常精确地产生。
图6示出了图5中的弹簧元件13连同剖切平面C，该剖切平面与弹簧元件13的加强区域28相交。在加强区域28中，一方面，弹簧部分元件24和25的宽度26选择得大于其余区域中的宽度(参见图5中的剖切平面B中的宽度26)，另一方面，在弹簧部分元件24和25之间布置了加强结构27。在制造中，通过沉积布置在薄层之间的厚层来制造加强结构27，弹簧部分元件24和25从薄层蚀刻出。通过加强结构27，弹簧元件13在垂直方向上得到明显更高的抗弯曲刚度，从而有效地抑制在该方向上的振动。
Claims (11)
1.一种微机械构件（1），具有具有主延伸平面的衬底（10）和至少一个质量振子（12），其中，质量振子（12）通过一个或多个弹簧元件（13）相对于衬底（10）能振动地支承，其特征在于，至少一个弹簧元件（13）具有第一弹簧部分元件（14）和第二弹簧部分元件（15），其中，第一弹簧部分元件（14）和第二弹簧部分元件（15）在垂直于主延伸平面的垂直方向（18）上叠置地布置并且在该垂直方向（18）上彼此间隔开。
2.根据权利要求1所述的微机械构件（1），其中，所述第一弹簧部分元件（14）和第二弹簧部分元件（15）之间的垂直距离大于所述第一弹簧部分元件（14）的垂直延伸量和所述第二弹簧部分元件（15）的垂直延伸量。
3.根据权利要求1或2所述的微机械构件（1），其中，在所述第一弹簧部分元件（14）和第二弹簧部分元件（15）之间至少在部分区域（28）中布置加强结构（27）。
4.根据权利要求3所述的微机械构件（1），其中，与第一弹簧部分元件（14）和第二弹簧部分元件（15）的其余区域相比，所述加强结构（27）具有较高的刚度和/或所述第一弹簧部分元件（14）和所述第二弹簧部分元件（15）在所述加强结构（27）的区域（28）中具有较大的宽度。
5.根据权利要求1、2和4中任一项所述的微机械构件（1），其中，所述第一弹簧部分元件（14）和第二弹簧部分元件（15）具有基本相同的横截面和/或彼此平行地延伸。
6.根据权利要求1所述的微机械构件（1），其中，所述微机械构件（1）构造为转速传感器。
7. 一种用于制造微机械构件（1）的方法，其中，- 在第一步骤中沉积具有主延伸平面的第一功能层，- 在第二步骤中通过蚀刻第一功能层产生第一弹簧部分元件（14），- 在第三步骤中沉积第二功能层，其中，第二功能层在垂直于主延伸平面的垂直方向（18）上布置在第一功能层上方，- 在第四步骤中通过蚀刻第二功能层产生第二弹簧部分元件（15），使得第二弹簧部分元件（15）在垂直方向（18）上与第一弹簧部分元件（14）相覆盖。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一功能层和第二功能层的沉积这样进行，使得所述第一功能层和第二功能层具有基本相同的厚度。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述第一功能层和第二功能层的蚀刻这样进行，使得所述第一弹簧部分元件（14）和第二弹簧部分元件（15）基本具有相同的蚀刻角度（20）。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在第一步骤之后和第三步骤之前设置第五步骤，在该第五步骤中沉积第三功能层，其中，第三功能层布置在第一功能层和第二功能层之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述第五步骤之后的步骤中通过蚀刻所述第三功能层产生加强结构（27），使得所述加强结构（27）在垂直方向（18）上与所述第一弹簧部分元件（14）和第二弹簧部分元件（15）相覆盖。
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