CN113683050B - 用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件 - Google Patents

用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件

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Abstract

本发明涉及一种用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件，其具有：衬底；框架结构，其布置在衬底表面和/或至少一个中间层上；膜片，其跨越由框架结构至少部分地围绕的内部体积，其中，内部体积以气密的方式如此密封，使得膜片能够借助存在于其膜片内侧上的内压(p1)与存在于其膜片外侧上的外压(p2)之间的压差而翘曲，其中，该微机械构件具有布置在内部体积中的弯曲梁结构，该弯曲梁结构具有固定在框架结构、衬底表面和/或至少一个中间层上的至少一个锚固区域且具有至少一个自承载区域，该至少一个自承载区域通过至少一个耦合结构如此连接在膜片的膜片内侧上，使得至少一个自承载区域能够借助膜片的翘曲而弯曲。

Description

用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件
技术领域
本发明涉及一种用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件。本发明还涉及一种用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件的制造方法。
背景技术
图1示出常规的压力传感器设备的示意图，该压力传感器设备作为内部现有技术被申请人已知。
在图1中示意性示出的压力传感器设备包括：具有衬底表面10a的衬底10；布置在至少部分地覆盖衬底表面10a的至少一个中间层12a和12b上的框架结构14；以及膜片16。膜片16如此跨越(überspannen)由框架结构14至少部分地围绕的内部体积18，使得膜片16的膜片内侧16a与内部体积18邻接。此外，膜片16可以借助存在于其膜片内侧16a上的内压p1与存在于背离膜片内侧16a地定向的膜片外侧16b上的外压p2之间的压差而翘曲如在图1中示意性示出的那样，由于内压p1与外压p2之间的压差而作用在膜片上的压力F可以使膜片变形到如此强烈的程度，使得在膜片16上产生裂纹20，尤其是在膜片16的夹持区域(Einspannungsbereich)16c中产生裂纹。
示例性地，图1的常规压力传感器设备还包括测量电极22，该测量电极通过至少一个悬挂结构24悬挂在膜片16的膜片内侧16a上。在测量电极22与衬底表面10a之间，测量对电极26固定在至少一个中间层12a和12b上。同样地，图1的常规压力传感器设备还包括至少一个固定的参考电极28，该至少一个固定的参考电极与固定在至少一个中间层12a和12b上的至少一个参考对电极30相距预给定的间距，其中，至少一个参考电极28和至少一个参考对电极30至少部分地围绕测量电极22和测量对电极26周向地布置。
发明内容
本发明提出一种用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件，该微机械构件具有：
具有衬底表面的衬底；
框架结构，该框架结构布置在衬底表面和/或至少部分地覆盖衬底表面的至少一个中间层上；以及
膜片，该膜片如此跨越由框架结构至少部分地围绕的内部体积，使得膜片的膜片内侧与内部体积邻接；
其中，内部体积以气密的方式如此密封，使得膜片能够借助存在于其膜片内侧上的内压与存在于膜片的背离膜片内侧地定向的膜片外侧上的外压之间的压差而翘曲，
其特征在于
布置在内部体积中的弯曲梁结构，该弯曲梁结构具有固定在框架结构、衬底表面和/或至少一个中间层上的至少一个锚固区域并且具有至少一个自承载区域，该至少一个自承载区域通过至少一个耦合结构如此连接在膜片的膜片内侧上，使得至少一个自承载区域能够借助膜片的翘曲而弯曲。
本发明还提出一种用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件的制造方法，该制造方法具有以下步骤：
在衬底的衬底表面上和/或在至少部分地覆盖衬底表面的至少一个中间层上形成框架结构；以及
借助膜片如此跨越由框架结构至少部分地围绕的内部体积，使得膜片的膜片内侧与内部体积邻接；
其中，内部体积以气密的方式如此密封，使得膜片能够借助存在于其膜片内侧上的内压与存在于膜片的背离膜片内侧地定向的膜片外侧上的外压之间的压差而翘曲，
其特征在于以下步骤：
在内部体积中形成弯曲梁结构，该弯曲梁结构具有固定在框架结构、衬底表面和/或至少一个中间层上的至少一个锚固区域并且具有至少一个自承载区域，该至少一个自承载区域通过至少一个耦合结构如此连接在膜片的膜片内侧上，使得至少一个自承载区域能够借助膜片的翘曲而弯曲。
本发明的优点
本发明提出一种微机械构件，在该微机械构件中，由于根据本发明的弯曲梁结构(Biegebalkenstruktur)的构造，可靠地防止其膜片上的裂纹形成。这种微机械构件的根据本发明的弯曲梁结构可以如此设计，使得即使在过载情况下，当相对较高的压力作用在膜片上时，即使在相应膜片的夹持区域中也可靠地防止裂纹形成。因此，微机械构件或借此构造的传感器设备或麦克风设备的由于其膜片上的裂纹而导致的常规的失效风险得以消除。
在微机械构件的一种有利的实施方式中，至少一个耦合结构完全由至少一种导电材料形成。在这种情况下，通常可以使用与用于形成膜片的材料相同的材料(例如硅)来形成至少一个耦合结构。因此，至少一个耦合结构的构造相对简单并且仅需要相对较低的工作开销。
替代地，至少一个耦合结构可以至少部分地由至少一种电绝缘材料形成。在这种情况下，施加在相应弯曲梁结构的至少一个自承载(freitragend)区域上的电势可能不同于施加在相邻膜片上的电势。
作为微机械构件的有利的扩展方案，弯曲梁结构的至少一个自承载区域可以跨越布置在衬底表面和/或至少一个中间层上的至少一个对电极，其中，至少一个对电极与弯曲梁结构的至少一个自承载区域电绝缘，并且可以在弯曲梁结构的至少一个自承载区域与至少一个对电极之间截取测量信号。如下面更详细地阐述的那样，在这种情况下，关于作用在膜片上的相对较高的压力，测量信号可以用作“警告信号”。
替代地或附加地，在弯曲梁结构的至少一个自承载区域的背离膜片地定向的表面上还可以构造有至少一个突出的止挡结构。借助至少一个止挡结构可以在机械上限制膜片的最大翘曲。
在微机械构件的另一有利的实施方式中，弯曲梁结构和至少一个参考电极和/或至少一个测量电极由第一半导体层和/或金属层形成，该至少一个参考电极固定在框架结构、衬底表面和/或至少一个中间层上；和/或，膜片、至少一个耦合结构和/或至少一个悬挂结构由第二半导体层和/或金属层形成，通过该至少一个悬挂结构，至少一个测量电极悬挂在膜片内侧上。因此，尽管配备有至少一个参考电极和/或至少一个测量电极，但是在此描述的微机械构件可以以相对简单且成本有利的方式制造。
此外，用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件的相应制造方法的实施也实现上述优点，其中，可以根据微机械构件的上述实施方式来扩展该制造方法。
附图说明
下面基于附图阐述本发明的其他特征和优点。附图示出：
图1示出常规的压力传感器设备的示意图；
图2示出微机械构件的第一实施方式的局部示意图；
图3a和3b示出微机械构件的第二实施方式的局部示意图；
图4示出微机械构件的第三实施方式的局部示意图；
图5示出微机械构件的第四实施方式的局部示意图；
图6示出微机械构件的第五实施方式的局部示意图；
图7示出微机械构件的第六实施方式的示意性局部图示；
图8示出微机械构件的第七实施方式的示意性局部示图；
图9示出微机械构件的第八实施方式的示意性局部示图；以及
图10至图12示出微机械构件的第九、第十和第十一实施方式的局部示意图。
具体实施方式
图2示出微机械构件的第一实施方式的局部示意图。
在图2中示意性地部分示出的微机械构件具有衬底10，该衬底具有衬底表面10a，该衬底例如是半导体衬底，尤其是硅衬底。衬底表面10a至少部分地由至少一个中间层12a和12b覆盖。至少一个中间层12a和12b例如可以是至少一个绝缘层12a和12b，例如尤其是二氧化硅层12a和/或富含硅的氮化硅层12b。可选地，印制导线层32可以沉积在衬底表面10a和/或至少一个中间层/绝缘层12a和12b上，其中，例如借助衬底表面10a与印制导线层32之间的直接接触分别能够构造/构造电接触部32a。印制导线层32例如可以是硅层。
该微机械构件还具有框架结构14，该框架结构布置在衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上。膜片16如此跨越由框架结构14至少部分地围绕的内部体积18，使得膜片16的膜片内侧16a与内部体积18邻接。此外，内部体积18以气密的方式如此密封，使得膜片16借助存在于其膜片内侧16a上的内压p1与存在于背离膜片内侧16a地定向的膜片外侧16b上的外压p2之间的压差而能够翘曲/翘曲。然而，图2示出内压p1与外压p2之间压强相等情况下的微机械构件。
附加地，图2的微机械构件具有布置在内部体积18中的弯曲梁结构34，该弯曲梁结构具有固定在框架结构14、衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上的至少一个锚固区域36并且具有至少一个自承载区域38。至少一个自承载区域38分别通过至少一个耦合结构40如此连接在膜片16的膜片内侧16a上，使得至少一个自承载区域38借助膜片16的翘曲而能够弯曲/弯曲。如基于以下实施方式通过图像示出的那样，弯曲梁结构34作为结构措施起作用，以用于降低在内压p1与外压p2之间存在压差的情况下在膜片16中、尤其是在膜片16的夹持区域16c中出现的机械应力。
作为可选的扩展方案，图2的微机械构件还具有布置在衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上的对电极42，该对电极跨越弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38。对电极42与弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38电绝缘。此外，可以在弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38与对电极42之间截取测量信号，例如电压信号。
在膜片16明显翘曲的情况下，弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38与对电极42之间的间距d发生变化，这可以基于测量信号(例如所截取的电压)的变化而识别出。借助至少一个耦合结构40的布置(通过该至少一个耦合结构，弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38连接在膜片16的膜片内侧16a上)可以确定从膜片16的翘曲的哪种程度起出现间距d的明显变化并因此出现测量信号的明显变化。因此，通过分析处理测量信号，可以确定是否出现膜片16的临界翘曲。然后，如有必要，可以将相应的警告信号输出给微机械构件的使用者和/或输出给运行该微机械构件的控制电子器件。
如在图2中还可以看出的那样，微机械构件还具有至少一个测量电极22，该至少一个测量电极通过至少一个悬挂结构24悬挂在膜片16的膜片内侧16a上。特别地，在至少一个测量电极22与衬底10之间，可以将各一个测量对电极26固定在衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上。借助至少一个测量电极22和至少一个测量对电极26的相互作用，可以探测内压p1与外压p2之间的压差，或者说可以探测撞击在膜片外侧16b上的声波。因此，在此描述的微机械构件可以有利地用于传感器设备或麦克风设备。
优选地，至少一个耦合结构40到膜片16的夹持区域16c的最小间距小于至少一个悬挂结构24到夹持区域16c的最小间距。
在此，对于至少一个测量电极22，优选“中央悬挂”在膜片16上，而弯曲梁结构34优选地布置为靠近膜片16的夹持区域16c或直接布置在膜片16的夹持区域16c上。尤其是在过载情况下，在膜片16的夹持区域16c上出现高的弯曲力，因此有利的是，借助至少一个耦合结构40和弯曲梁结构34来吸收在这种情况下作用到夹持区域16c上的变形力/变形能。在此，弯曲梁结构34的几何尺寸和形状以及至少一个耦合结构40到膜片16的夹持区域16c的间距确定以下力：该力在至少一个耦合结构40的位置处抵抗膜片16上的变形力/变形能。此外，借助至少一个测量电极22在膜片16上的“中央悬挂”，可以在探测内压p1与外压p2之间的压差时或在探测撞击在膜片外侧16b上的声波时确保良好的灵敏度。
可选地，图2的微机械构件可以构造为关于对称平面44镜面对称。然而，替代地，也可以在测量电极22的背离弯曲梁结构34地定向的一侧上布置参考电极28，该参考电极具有对应的参考对电极30，如这些参考电极和参考对电极例如在图1中所示出的那样。
即使在批量生产中，也可以借助下述制造方法以简单的方式并在保持良好的重复精度的情况下制造在图2中局部示出的微机械构件：
为了实施该制造方法，将第一半导体层和/或金属层46沉积在衬底表面10a、至少一个中间层12a和12b、印制导线层32和/或至少一个第一牺牲层48上。第一半导体层和/或金属层46例如可以是硅层。至少一个第一牺牲层48尤其可以是二氧化硅层。此外，将第二半导体层和/或金属层50沉积在第一半导体层和/或金属层46和/或至少一个第二牺牲层52上。第二半导体层和/或金属层50也可以是硅层/多晶硅层。至少一个第二牺牲层52例如可以是二氧化硅层。
优选地，框架结构14由印制导线层32的至少一部分、由第一半导体层和/或金属层46的至少一部分以及由第二半导体层和/或金属层50的至少一部分如此形成，使得在衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上形成的框架结构14至少部分地围绕(之后的)内部体积18。借助膜片16如此跨越内部体积18，使得膜片16的膜片内侧16a与内部体积18邻接，其中，该膜片16由第二半导体层和/或金属层50形成。弯曲梁结构34由第一半导体层和/或金属层46如此形成/结构化出，使得弯曲梁结构34布置在内部体积18中并且构造有固定在框架结构14、衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上的至少一个锚固区域36并且构造有至少一个自承载区域38。至少一个耦合结构40也可以由第二半导体层和/或金属层50形成，借助该至少一个耦合结构40，至少一个自承载区域38如此连接在膜片16的膜片内侧16a上，使得至少一个自承载区域38能够借助膜片16的翘曲而弯曲。
如在图1和图2中可以看出的那样，除了弯曲梁结构34之外，至少一个参考电极28和/或至少一个测量电极22可以由第一半导体层和/或金属层46形成/结构化出，该至少一个参考电极固定在框架结构14、衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上。除了膜片16以及可能的至少一个耦合结构40之外，至少一个悬挂结构24也可以由第二半导体层和/或金属层50形成，通过该至少一个悬挂结构，至少一个测量电极22悬挂在膜片内侧16a上。此外，对电极42、至少一个测量对电极26和/或至少一个参考对电极30可以由印制导线层32形成/结构化出。
在至少部分地去除/蚀刻牺牲层48和52之后(优选地在期望的内压p1下)以气密的方式密封内部体积18，例如其方式为：将绝缘层54沉积在第二半导体层和/或金属层50的围绕至少一个蚀刻开口的至少一个部分外表面上。至少一个部分外表面优选地理解为第二半导体层和/或金属层50的与相应的蚀刻开口直接邻接的表面。以这种方式，可以确保膜片16借助存在于其膜片内侧16a上的内压p1与(当前)存在于膜片外侧16b上的外压p2之间的压差而能够翘曲/翘曲。可选地，可以借助金属化部56(例如铝铜)和/或可选的接触金属化部56b(例如TiSi2/Ti)和/或可选的扩散屏障(Diffusionsbarriere)(例如TiN)来构造至少一个电接触部56a。作为其他可选的方法步骤，还可以在金属化部56和绝缘层54上沉积钝化部58，例如氮化硅(Si3N4)。
图3a和3b示出微机械构件的第二实施方式的局部示意图。
作为对上述实施方式的补充，在图3a和3b中局部示意性示出的微机械构件还具有至少一个参考电极28，该至少一个参考电极固定在框架结构14、衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上。至少一个参考电极28跨越各一个对应的参考对电极30。借助至少一个参考电极28及其至少一个参考对电极30可以执行参考电容测量，以便能够“过滤出”或校正至少一个测量电极22与其至少一个测量对电极26之间的能够归因于衬底10的弯曲的间距变化/测量信号变化。如在图3a和3b中可以看出的那样，至少一个参考电极28可以由第一半导体层和/或金属层46形成/结构化出，并且其至少一个参考对电极30可以由印制导线层32形成/结构化出。特别地，弯曲梁结构34、其对电极42、相邻的参考电极28和相邻的参考对电极30可以借助各一个连贯的中间间隙60的结构化由图1的“常规”参考电极28及其对应的参考对电极30形成。
在图3a的图示中，外压p2等于内部体积18中的内压p1。相反地，在图3b的图示中，外压p2高于内部压力p1。可以看出，在这种情况下，膜片16的翘曲触发弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的弯曲，由此弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38与对应的对电极42之间的间距d发生变化，并且由此吸收能量，或者说在膜片16上产生反作用力，因此，与现有技术相比，膜片16不那么强烈地翘曲。因此，降低在翘曲的膜片16中(尤其是在膜片16的夹持区域16c中)出现的机械应力。因此，借助弯曲梁结构34可以可靠地抵抗膜片16中的裂纹的产生。因此，即使在膜片16构造为相对较薄的情况下，也不必担心膜片16中的裂纹形成。因此，与现有技术相比，微机械构件的由于其膜片16中的裂纹而导致的失效的风险明显降低。
在此还要指出，借助弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的平行于衬底表面10a地取向的长度、弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的平行于衬底表面10a地取向的宽度、弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的垂直于衬底表面10a地取向的高度和弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的形状，可以确定反作用力或借助弯曲梁结构34吸收的能量的量。还可以借助至少一个耦合结构40的位置来“调整”弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38在至少一个耦合结构40的位置处施加到膜片16上的反作用力。通过弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的几何尺寸和形状，以及通过至少一个耦合结构40到膜片16的夹持区域16c的间距，可以局部地有针对性地或多或少地抵抗膜片16的弯曲(由于存在的外压p2)。因此，反作用力或借助弯曲梁结构34吸收的能量的量可以灵活地调整。通过在每个自承载区域38上使用多个耦合结构40，还可以实现，在对膜片外侧16b加载压力时，可以以更好/更明确的方式“建模”/调整所产生的膜片翘曲/膜片弯曲。
关于图3a和3b的微机械构件的其他特性和特征及其优点，参阅图2的实施方式。
图4示出微机械构件的第三实施方式的局部示意图。
在图4的实施方式中，弯曲梁结构34的自承载区域38在布置在衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b上的导电结构62上延伸，该导电结构位于与弯曲梁结构34的自承载区域38(以及可能的膜片16)相同的电势上。借助导电结构62到弯曲梁结构34的电连接，在对膜片16加载压力时，可以避免可变的参考电容和杂散电容例如，自承载区域38背离其弯曲梁结构34的所对应的锚固区域36地并且背离膜片16的夹持区域16c地延伸。
关于图4的微机械构件的其他特性和特征及其优点，参阅上述实施方式。
图5示出微机械构件的第四实施方式的局部示意图。
在图5的微机械构件中，其弯曲梁结构34的自承载区域38以背离所对应的锚固区域36朝着膜片的夹持区域16c的方式延伸。因此，通过其耦合结构40的、到弯曲梁结构34中的机械的力耦合输入/能量耦合输入在膜片16的夹持区域16c附近进行。
关于图5的微机械构件的其他特性和特征及其优点，参阅上述实施方式。
图6示出微机械构件的第五实施方式的局部示意图。
在图6的微机械构件中，其弯曲梁结构34具有两个锚固区域36，该锚固区域具有各一个自承载区域38，该自承载区域通过各至少一个耦合结构40连接在膜片内侧16a上。可以看出，弯曲梁结构34的这种构造可以借助连贯的中间间隙60通过图1的“常规”参考电极28来构造。在这种弯曲梁结构34中存在以下可能性：在膜片16的至少两个不同的位置处，将各一个反作用力施加到膜片16的膜片内侧16a上。此外，通过两个自承载区域38的设计，尤其是其(可能不同的)长度、其(可能不同的)宽度、其(可能不同的)高度及其(可能不同的)形状的设计，可以影响相应的反作用力，以便在相应于期望的目标弯曲/目标变形对膜片外侧16b加载压力时确定膜片16的弯曲。
关于图6的微机械构件的其他特性和特征及其优点，参阅上述实施方式。
图7示出微机械构件的第六实施方式的局部示意图。
作为上述实施方式的扩展方案，图7的微机械构件在弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的背离膜片16地定向的表面上还具有至少一个突出的止挡结构64。借助至少一个止挡结构64可以限制至少一个自承载区域38在朝向衬底10的方向上的最大偏转。相应地，也可以借助至少一个止挡结构64来限制膜片16的最大翘曲。优选地，各一个止挡结构64和各一个耦合结构40沿着共同的轴66延伸。也可以如此重写这一点，即至少一个止挡结构64分别位于至少一个耦合结构40的“延伸纵轴”之内。这具有以下优点：在至少一个止挡结构64与接触结构、衬底表面10a和/或至少一个中间层12a和12b接触时，到膜片16中的力耦合输入直接通过至少一个耦合结构40、至少一个自承载区域38和至少一个止挡结构64进一步传递到衬底10中。在图7的实施例中，在膜片16强烈翘曲时，至少一个止挡结构64接触例如至少一个中间层12a和12b。
替代地，如果需要，也可以构造弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的“弹性止挡”，其方式为：将至少一个止挡结构64相对于至少一个耦合结构40错开地定位，或者说将至少一个止挡结构定位在至少一个耦合结构40的“延伸纵轴”之外。
关于图7的微机械构件的其他特性和特征及其优点，参阅上述实施方式。
图8示出微机械构件的第七实施方式的局部示意图。
作为上述实施方式的补充，图8的微机械构件还具有接触结构68，在膜片16强烈翘曲时，该接触结构接触至少一个止挡结构64。接触结构68可以由印制导线层32形成/结构化处，然而，优选地构造为与其直接周围环境电绝缘。替代地，接触结构68可以具有与至少一个止挡结构和/或弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38相同的电势。
关于图8的微机械构件的其他特性和特征及其优点，参阅上述实施方式。
图9示出微机械构件的第八实施方式的局部示意图。
在图9的微机械构件中，省去在其弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38上构造至少一个突出的止挡结构64。但是，图9的微机械构件具有上面已经描述的接触结构68，在膜片16强烈翘曲时，其弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的至少一个端部碰撞该接触结构。即使省去在至少一个自承载区域38上构造至少一个突出的止挡结构64，也可以借助接触结构68确定膜片16的最大翘曲。
关于图9的微机械构件的其他特性和特征及其优点，参阅上述实施方式。
替代地，在图8和9的实施方式的变型方案中，也可以使用导电结构62(代替接触结构68)来确定膜片16的最大翘曲。
图10至图12示出微机械构件的第九、第十和第十一实施方式的局部示意图。
图10至图12的微机械构件与图6的实施方式的不同之处仅在于至少部分地扩大框架结构14的从弯曲梁结构34延伸至膜片16的区域的几何尺寸、框架结构14的从弯曲梁结构34延伸至印制导线层32的区域的几何尺寸和/或弯曲梁结构34的另一锚固区域36的几何尺寸。以这种方式，还可以确定借助弯曲梁结构34吸收的能量的量，并在施加外压p2时对膜片16的弯曲/变形产生影响。
关于图10至图12的微机械构件的其他特性和特征及其优点，参阅上述实施方式。
在上述所有微机械构件中，可以借助至少一个自承载区域38的长度、至少一个自承载区域38的宽度、至少一个自承载区域38的高度、至少一个自承载区域38的形状及其至少一个耦合结构40的位置的相对自由的选择来确定借助其弯曲梁结构34吸收的能量的量。至少一个耦合结构40可以完全由至少一种导电材料形成，例如其方式为：至少一个耦合结构40完全由第二半导体层和/或金属层50形成/结构化出。替代地，至少一个耦合结构40可以至少部分地由至少一种电绝缘材料形成，例如尤其是富含硅的氮化硅。在至少一个耦合结构40至少部分地由富含硅的氮化硅构造的情况下，通常用于蚀刻牺牲层48和52的蚀刻材料(例如HF或BOE)不侵蚀/几乎不侵蚀富含硅的氮化硅。
上述所有微机械构件都可以借助所阐述的制造方法来制造，其中，作为扩展方案，可能还在弯曲梁结构34的至少一个自承载区域38的背离膜片16地定向的表面上构造至少一个突出的止挡结构64。框架结构14、至少一个测量电极22的至少一个悬挂结构24和/或锚固区域36可以构造为至少部分地电绝缘。可以例如将富含硅的氮化硅用作电绝缘材料以形成框架结构14和/或锚固区域36。此外，可以有针对性地掺杂地实施半导体层，以改善导电性。

Claims (10)

1.一种用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件，所述微机械构件具有：
具有衬底表面(10a)的衬底(10)；
框架结构(14)，所述框架结构布置在所述衬底表面(10a)和/或至少部分地覆盖所述衬底表面(10a)的至少一个中间层(12a，12b)上；以及
膜片(16)，所述膜片如此跨越由所述框架结构(14)至少部分地围绕的内部体积(18)，使得所述膜片(16)的膜片内侧(16a)与所述内部体积(18)邻接；
其中，所述内部体积(18)以气密的方式如此密封，使得所述膜片(16)能够借助存在于其膜片内侧(16a)上的内压(p1)与存在于所述膜片(16)的背离所述膜片内侧(16a)地定向的膜片外侧(16b)上的外压(p2)之间的压差而翘曲，
其特征在于
布置在所述内部体积(18)中的弯曲梁结构(34)，所述弯曲梁结构具有固定在所述框架结构(14)、所述衬底表面(10a)和/或所述至少一个中间层(12a，12b)上的至少一个锚固区域(36)并且具有至少一个自承载区域(38)，所述至少一个自承载区域通过至少一个耦合结构(40)如此连接在所述膜片(16)的膜片内侧(16a)上，使得所述至少一个自承载区域(38)能够借助所述膜片(16)的翘曲而弯曲。
2.根据权利要求1所述的微机械构件，其中，所述至少一个耦合结构(40)完全由至少一种导电材料(50)形成。
3.根据权利要求1所述的微机械构件，其中，所述至少一个耦合结构(40)至少部分地由至少一种电绝缘材料形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械构件，其中，所述弯曲梁结构(34)的至少一个自承载区域(38)跨越布置在所述衬底表面(10a)和/或所述至少一个中间层(12a，12b)上的至少一个对电极(42)，其中，所述至少一个对电极(42)与所述弯曲梁结构(34)的至少一个自承载区域(38)电绝缘，并且能够在所述弯曲梁结构(32)的至少一个自承载区域(38)与所述至少一个对电极(42)之间截取测量信号。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械构件，其中，在所述弯曲梁结构(34)的至少一个自承载区域(38)的背离所述膜片(16)地定向的表面上构造有至少一个突出的止挡结构(64)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械构件，其中，所述弯曲梁结构(34)和至少一个参考电极(28)和/或至少一个测量电极(22)由第一半导体层和/或金属层(46)形成，所述至少一个参考电极固定在所述框架结构(14)、所述衬底表面(10a)和/或所述至少一个中间层(12a，12b)上；和/或，所述膜片(16)、所述至少一个耦合结构(40)和/或至少一个悬挂结构(24)由第二半导体层和/或金属层(50)形成，通过所述悬挂结构，所述至少一个测量电极(22)悬挂在所述膜片内侧(16a)上。
7.一种用于传感器设备或麦克风设备的微机械构件的制造方法，所述制造方法具有以下步骤：
在衬底(10)的衬底表面(10a)上和/或在至少部分地覆盖所述衬底表面(10a)的至少一个中间层(12a，12b)上形成框架结构(14)；以及
借助膜片(16)如此跨越由所述框架结构(14)至少部分地围绕的内部体积(18)，使得所述膜片(16)的膜片内侧(16a)与所述内部体积(18)邻接；
其中，所述内部体积(18)以气密的方式如此密封，使得所述膜片(16)能够借助存在于其膜片内侧(16a)上的内压(p1)与存在于所述膜片(16)的背离所述膜片内侧(16a)地定向的膜片外侧(16b)上的外压(p2)之间的压差而翘曲，
其特征在于以下步骤：
在所述内部体积(18)中形成弯曲梁结构(34)，所述弯曲梁结构具有固定在所述框架结构(14)、所述衬底表面(10a)和/或所述至少一个中间层(12a，12b)上的至少一个锚固区域(36)并且具有至少一个自承载区域(38)，所述至少一个自承载区域通过至少一个耦合结构(40)如此连接在所述膜片(16)的膜片内侧(16a)上，使得所述至少一个自承载区域(38)能够借助所述膜片(16)的翘曲而弯曲。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，在所述弯曲梁结构(34)的至少一个自承载区域(38)的背离所述膜片(16)地定向的表面上构造至少一个突出的止挡结构(64)。
9.根据权利要求7或8所述的制造方法，其中，至少所述弯曲梁结构(34)由第一半导体层和/或金属层(46)形成，所述第一半导体层和/或金属层覆盖所述衬底表面(10a)、所述至少一个中间层(12a，12b)、印制导线层(32)和/或至少一个第一牺牲层(48)，其中，所述膜片(16)和/或所述至少一个耦合结构(40)由第二半导体层和/或金属层(50)形成，所述第二半导体层和/或金属层覆盖所述第一半导体层和/或金属层(46)和/或至少一个第二牺牲层(52)。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其中，除了所述弯曲梁结构(34)之外，至少一个参考电极(28)和/或至少一个测量电极(22)由所述第一半导体层和/或金属层(46)形成，所述至少一个参考电极固定在所述框架结构(14)、所述衬底表面(10a)和/或所述至少一个中间层(12a，12b)上，和/或，除了所述膜片(16)和/或至少一个耦合结构(40)之外，至少一个悬挂结构(24)由所述第二半导体层和/或金属层(50)形成，通过所述至少一个悬挂结构，所述至少一个测量电极(22)悬挂在所述膜片内侧(16a)上。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023203438A1 (de) * 2023-04-17 2024-10-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Stressentkoppelter mikromechanischer Drucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104968599A (zh) * 2013-02-05 2015-10-07 罗伯特·博世有限公司 具有膜片结构的微机械构件
CN110114872A (zh) * 2016-12-22 2019-08-09 罗杰斯德国有限公司 用于电器件的载体衬底和用于制造载体衬底的方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9290067B2 (en) * 2012-08-30 2016-03-22 Freescale Semiconductor, Inc. Pressure sensor with differential capacitive output
JP5714648B2 (ja) * 2012-11-16 2015-05-07 株式会社豊田中央研究所 力学量ｍｅｍｓセンサ及び力学量ｍｅｍｓセンサシステム
CN104897334B (zh) * 2015-06-29 2017-07-21 歌尔股份有限公司 一种mems压力传感元件
JP6430355B2 (ja) * 2015-10-16 2018-11-28 株式会社東芝 センサ装置
DE102016216229A1 (de) * 2016-08-29 2018-03-01 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil, Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors
DE102016216226A1 (de) * 2016-08-29 2018-03-15 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil
JP2018155677A (ja) * 2017-03-21 2018-10-04 セイコーエプソン株式会社 圧力センサー、圧力センサーの製造方法、圧力センサーモジュール、電子機器および移動体
JP2018165681A (ja) * 2017-03-28 2018-10-25 セイコーエプソン株式会社 圧力センサー、圧力センサーの製造方法、圧力センサーモジュール、電子機器および移動体
DE102018211280B4 (de) * 2018-07-09 2020-09-24 Robert Bosch Gmbh MEMS-Sensor und Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Sensors
DE102019205348A1 (de) * 2019-04-12 2020-10-15 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensor- oder Schaltervorrichtung
DE102020209973A1 (de) * 2020-08-06 2022-02-10 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanisches Bauteil für eine Drucksensorvorrichtung

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104968599A (zh) * 2013-02-05 2015-10-07 罗伯特·博世有限公司 具有膜片结构的微机械构件
CN110114872A (zh) * 2016-12-22 2019-08-09 罗杰斯德国有限公司 用于电器件的载体衬底和用于制造载体衬底的方法

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