CN118145589A - 具有参考电极的微机械z加速度传感器 - Google Patents

具有参考电极的微机械z加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电容式微机械z加速度传感器，其具有：衬底和层序列，衬底具有主延伸平面，层序列平行于延伸平面，由在衬底上方的第一多晶硅层、在第一多晶硅层上方的第二多晶硅层和在第二多晶硅层上方的第三多晶硅层组成；能运动的微机械结构，具有振动质量，振动质量能够在垂直于延伸平面的第一方向z上直线地偏转；能运动的微机械结构在第二多晶硅层和第三多晶硅层中形成；在振动质量与测量电极之间形成测量电容，并且测量电极在第一多晶硅层中形成；在下参考电极与上参考电极之间形成参考电容，下参考电极在第一多晶硅层中形成并且上参考电极在第二多晶硅层中形成；在第一方向z上看，能运动的微机械结构至少部分地覆盖上参考电极。

Description

具有参考电极的微机械z加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种电容式微机械z加速度传感器。
背景技术
用于测量加速度和转速的微机械惯性传感器针对在车辆和消费品中的不同应用在批量生产中制造。对于具有垂直于晶片平面的探测方向(z方向)的电容式加速度传感器，常常使用“摆杆结构(Wippenstrukturen)”，如示范性地在图1中在俯视图中和在横截面中示出的那样。这些摆杆结构的传感器原理基于弹簧质量系统，在该弹簧质量系统中，在最简单的情况下，能运动的振动质量(在P3层中实现)与固定在衬底上的两个配对电极(P1层，该P1层在衬底的上方布置在绝缘层上，该绝缘层以橙色示出)形成两个板式电容器。振动质量经由至少一个(出于对称性原因通常更确切地说两个)扭转弹簧与衬垫连接。如果质量结构在扭转弹簧的两侧上大小不同，则在z加速度起作用时，质量结构相对于作为转动轴线的扭转弹簧转动。因此，视加速度的符号而定地，电极的间距在一侧上较小，而在另一侧上较大。电容变化是用于起作用的加速度的量度。这些加速度传感器在许多出版物中描述，例如在EP 0244581 A1和EP 0773443 A1中。
在图1a中的质量结构中的穿孔一方面用于以简化的方式使传感器结构裸露，如果需要在其下方移除牺牲氧化物，如在表面微机械工艺工序中常见的那样。由于所述穿孔，蚀刻介质、例如气态HF更容易接近牺牲氧化物。另一方面，通过穿孔的适合的数量和尺寸设计，可以在宽泛的范围中对莱尔阻尼(die Lehr‘sche)(阻尼量度D)进行修改并且根据期望进行设定。但是，在下文中，为了简单起见省去示出所述穿孔。
在加速度传感器的进一步开发中的重要趋势在于对功率参数的改进。在确定的应用中，例如用于耳机的应用，主要是对噪声的降低具有高的重要性。例如在出版物US2014/0270231 A1中描述用于微型化耳机中的加速度传感器的可能的应用。
典型的MEMS加速度传感器的噪声由两个噪声源占主导地位：电子噪声和布朗(机械)噪声。这两个噪声源中的哪个噪声源占主导地位，特定于产品地一方面取决于分析处理电路、即ASIC并且另一方面取决于MEMS元件。MEMS加速度传感器的布朗噪声通过在振动质量与周围的气体粒子之间的统计学碰撞和所造成的动量转移引起。对于能够直线偏转的具有振动质量ms的传感器，作为噪声功率密度得出：
其中，a表示加速度，Δf表示所观察的频率间隔，kB表示玻尔兹曼常数，T表示温度，D表示莱尔阻尼，并且ω0表示该传感器的角频率。
对于根据摆杆原理的z加速度传感器，得出略微更复杂的关联：
在此，J表示围绕扭转轴线的惯性矩，masym表示质量不对称性，并且rasym表示质量不对称性的重心与扭转轴线的距离。在不具有质量不对称性的情况下，噪声功率密度发散，因为随后该传感器的机械灵敏度消失。在非常大的质量不对称性的情况下，J近似地以masym*rasym 2扩展，使得用于z摆杆的公式随后近似地过渡到用于平移地运动的传感器的上述公式中，区别在于，在平移情况下，整个传感器质量起到降低噪声的作用，但是在z摆杆中只有不对称的质量部分起到降低噪声的作用。这意味着，与平移地、即直线地在z方向上运动的加速度传感器(在下文中也被称为蹦床结构(Trampolinstruktur))相比，具有摆杆几何形状的加速度传感器具有由于原理引起的缺点，因为在平移地、即直线地在z方向上运动的加速度传感器中，整个质量有助于机械灵敏度并且因此有助于降低布朗噪声。因此，在相同的传感器面上，能够借助蹦床结构实现在机械噪声方面更好的加速度传感器。
图2示出呈摆杆几何形状的加速度传感器的改进版本，如其在出版物DE 10 2019216 984 A1中公开的那样。在该传感器中，能运动的结构由两个微机械功能层P2和P3形成，所述微机械功能层由多晶硅制成，此外，为了避免右摆杆端部过早撞击，在外侧区域中的基本间距d1可以选择得比在具有基本间距d0的分析处理电极的区域中略大。通过下述方式增加质量不对称性并且因此增加该传感器的机械灵敏度：在扭转弹簧的左侧上的能运动的结构构造为一种盆(Wanne)。然而，该布置在降低机械噪声方面也不像蹦床结构那样高效。此外，在分析处理电极的区域中，在加速度起作用时，仅出现相对小的机械偏转，因为电极区域布置在扭转弹簧附近的环境中。这也导致相对较小的电灵敏度dC/da(每单位加速度的电容变化)，该电灵敏度又直接包含到电子噪声中。这就是说，不仅在机械布朗噪声方面，还在电子噪声方面，摆杆结构都不是最佳的基本布置。摆杆结构的优点主要在于，两个分析处理电容C1和C2通过相同的工艺步骤限定并且可以通过设计完全对称地构造，因此，该基本信号在很大程度上无偏移。由于电极区域此外布置在该传感器的机械锚固部的附近，因此，此外与蹦床结构相比，该传感器对机械应力相对较稳健，因为机械应力原则上可以导致衬底弯曲并且因此导致在分析处理电极的区域中的间距变化并且因此导致偏移信号，即在不存在任何加速度的情况下也不同于零的信号。
具有三个微机械功能层并且具有呈蹦床结构型式的振动质量的z加速度传感器由以下出版物已知：B.J.Hammond，A.McNeil，R.August和D.Koury，"Inertial transducerdesign for manufacturability and performance atMotorola,"TRANSDUCERS'03.12thInternational Conference on Solid-StateSensors,Actuators andMicrosystems.Digest of Technical Papers(Cat.No.03TH8664),2003,pp.85-90vol.1,doi:10.1109/SENSOR.2003.1215259。在该传感器中，弹性地悬挂在四个弹簧上的振动质量平移地在z方向上在底部电极与顶部电极之间运动，该底部电极布置在衬底上，该顶部电极布置在能运动的质量的上方。因此，能够实现差分电容分析处理dC＝C1–C2，在该差分电容分析处理中，一个分析处理电容C1(例如相对于底部电极)在该质量的z偏转的情况下减小，而另一个分析处理电容C2(例如相对于顶部电极)增大。该布置的基本原理以简化的方式在图3a中示出。由于该差分电极布置，该布置在高的电信号(相对于面积)方面是有利的，然而具有严重缺点。振动质量的下侧与底部电极之间的间距(并且因此电容C1)和振动质量的上侧与顶部电极之间的间距(并且因此电容C2)由于生产公差而承受一定的波动(两个间距通过分开的层沉积工艺限定)，使得在批量生产这种类型的传感器时，可以明显地区分分析处理电容C1和C2。因此，在差分分析处理dC＝C1–C2时，得出大的偏移误差。虽然，初始偏移误差可以在结构元件的最终测试时校正，然而，在温度变化和/或机械应力起作用的情况下，间隙通常不是以相同程度发生变化，而是略微不同地发生变化。因此，总而言之，在该布置中，产生差的并且对于许多应用而言不充分的偏移性能。作为另一个挑战，要提到的是该布置的机械稳健性。在高的冲击负载的情况下，振动质量可能在一些情况下撞击无支承的顶部电极并且折断或者至少严重损伤该顶部电极。
由出版物US 6892576 B2已知具有两个微机械功能层并且具有呈蹦床结构型式的振动质量的z加速度传感器。在该传感器中，在能运动的质量的上方没有布置顶部电极。在此，更确切地说，差分信号分析处理通过固定参考电容形成。根据现有技术，这种类型的参考电容要么施加在MEMS芯片的表面微机械层中，要么施加在分析处理ASIC中。在MEMS芯片中的布置可以在适合的实施方案中具有如下优点：分析处理电容C1的生产公差的至少一部分也以相同的方式作用到参考电容C2上。图3b和图3c示出在MEMS芯片中的参考电容的可能的实施方式。图3b示出相对较紧凑的布置，在该布置中充分利用如下情况：氧化物具有通常为大约3.8的介电常数，使得为了示出参考电容，仅需要相对于分析处理电容相当小的附加面积。然而，在这种情况下，分析处理电容C1与参考电容C2之间的一致性绝对不是完美的，因为还总是可能出现穿孔的蚀刻的公差(在图3b的参考电极中不存在这些穿孔，因为否则的话位于该参考电极下方的氧化物会被移除)、氧化物蚀刻(该参考电极面中的多少参考电极面实际上填充有氧化物？)的公差或者所暴露的结构的应力梯度(该应力梯度可以导致所暴露的结构的向上拱曲，使得在分析处理电极的区域中出现经改变的平均基本间距并且因此出现经改变的分析处理电容)的公差。因此，将借助如图3c中所示的布置来实现分析处理电容和参考电容的更好的一致性，在所述布置中，也在参考电容的区域中移除牺牲氧化物。然而，该布置需要可观的附加面积，因为参考电容在此需要与分析处理电容相同的面积。在两个布置3b、3c中，参考电容侧向地与振动质量或分析处理电容间隔开地布置，即导致该传感器的芯片面积的增大。此外，通过分析处理电容和参考电容的侧向间隔开，在两个电极上也可能出现局部不同的例如由于焊接造成的应力效应、温度变化或者使用寿命效应，使得在这种情况下也能够预期明显的偏移误差。
综上所述，能够确定，根据现有技术的摆杆几何形状倾向于良好地适合用于对偏移稳定性的高要求，但是在实现低的噪声值方面较不高效。相反，蹦床结构更好地适合用于实现低的噪声值，然而通常在能够实现的偏移稳定性方面具有明显缺陷。
发明内容
本发明的任务在于，实现一种紧凑的、低噪声的并且偏移稳定的z加速度传感器，该z加速度传感器不仅实现低的噪声值，还克服在能够实现的噪声值和能够实现的偏移稳定性方面的上述缺点。
本发明的核心和优点
本发明涉及一种电容式微机械z加速度传感器，所述电容式微机械z加速度传感器具有衬底和层序列，该衬底具有主延伸平面(x,y)，该层序列平行于延伸平面，该层序列由在衬底上方的第一多晶硅层、在第一多晶硅层上方的第二多晶硅层和在第二多晶硅层上方的第三多晶硅层组成。该传感器具有能运动的微机械结构，该能运动的微机械结构具有振动质量(30)，该振动质量能够在垂直于主延伸平面(x,y)的第一方向z上直线地偏转，其中，该振动质量在第二多晶硅层和第三多晶硅层中形成。该传感器具有测量电容，该测量电容在振动质量与测量电极之间形成，其中，该测量电极在第一多晶硅层中形成。该传感器还具有参考电容，该参考电容在下参考电极与上参考电极之间形成，其中，下参考电极在第一多晶硅层中形成并且上参考电极在第二多晶硅层中形成，其中，在第一方向z上看，能运动的微机械结构至少部分地覆盖上参考电极。
本发明的核心是用于z加速度传感器的能够直线地在z方向上偏转的振动质量的布置、尤其是蹦床结构的布置，在该布置中，参考电容不布置在振动质量旁边，而是布置在振动质量的下方。为了制造这样的布置，可以使用已知的表面微机械工艺流程，该工艺流程具有三个多晶硅层P1、P2、P3。不仅测量电容、而且参考电容构造在P1层与P2层之间，使得确保与分析处理电极和参考底部电极的间距的良好一致性并且因此确保相关的电容的良好一致性。振动质量由P2层和P3层形成，其中，该振动质量的一部分优选仅构造在P3层中，并且具有与在P2层中的固定式参考电极的至少部分的覆盖部。在该布置中，有利地，面同时用于构成振动质量并且用于实现参考电容，即，该布置特别紧凑并且此外具有在下文中示出的选项和优点。
特别优选地，在参考电极的区域中移除牺牲氧化物。由此得出分析处理电容C1与参考电容C2之间的特别好的一致性。因此，分析处理信号dC＝C1–C2理想地几乎无偏移。
不仅分析处理电极、而且参考电极布置在与传感器结构的锚固部的小间距中。由此，该传感器变得对机械应力相对较不灵敏。
优选地，分析处理电极的第一部分和参考电极的第一部分与该传感器的中心或质量重心具有较大的间距，并且分析处理电极的第二部分和参考电极的第二部分与该传感器的中心或质量重心具有较小的间距。简而言之，电极区域应包围锚固部。由此，传感器变得对机械应力特别不灵敏并且变得特别偏移稳定。
自由参考电极可以直接附接在P2层中的结构的锚固部上。该布置是特别紧凑的，并且在参考电极的电触点接通方面是特别简单的，并且在参考电极的用于实现高偏移稳定性的靠近锚固部的布置方面是特别有利的。
该传感器可以借助适合的弹簧几何形状并且通过添加用于x探测和y探测的分析处理电极而扩展成三轴传感器。这是特别有利的，因为振动质量同时在所有三个空间方向上对机械噪声起到降低作用。因此，与三个单轴传感器芯在一个芯片上的并排布置相比，可以在显著更小的面积上实现相同的噪声性能，亦或在假设总面积相同的情况下可以实现显著更好的噪声性能。
用于x探测和/或y探测的分析处理电极可以与用于z轴线的参考电极具有部分的重叠部(überlapp)。这就是说，除了振动质量与用于z轴线的参考电极重叠的上述可能性之外，还存在如下可能性：x电极指/y电极指与用于z轴线的参考电极重叠。因此也实现特别好的面积利用。
此外可能的是，弹簧与用于z轴线的参考电极具有部分的重叠部。因此也实现特别好的面积利用。
优选地，该传感器在该衬底上具有振动质量的四个锚固部。因此，可以保证该布置关于x轴线和y轴线的良好对称性。
优选地，该传感器具有四个弹簧，所述弹簧将该振动质量与锚固部连接。因此可以保证该布置的良好对称性，此外可以在所有空间方向上有针对性地设定有用模式频率并且可以有效抑制干扰模式。
优选地，所述弹簧具有蜿蜒结构，该蜿蜒结构具有多个彼此成角度地布置的弹簧梁。
替代地并且特别优选地，所述弹簧具有螺旋结构，该螺旋结构具有多个彼此成角度地布置的弹簧腿或圆形地或者椭圆形地成形的螺旋臂。与x方向和y方向相比，该螺旋形状允许在z方向上的特别高的柔韧性(Nachgiebigkeit)，使得在所有三个空间方向上可以相似地构型该传感器的机械灵敏度和/或电灵敏度。
该传感器可以非常好地与转速传感器和/或另外的加速度传感器芯一起集成到同一芯片上，因为与在摆杆设计的情况下不同，不需要非常小的电极间隙以实现非常低的噪声值。因此，在蹦床的情况下，可以使用与用于转速传感器和另外的加速度传感器芯的电极间隙相同的电极间隙。这便于工艺整合，因为不同大小的电极间隙的实现将意味着在生产传感器方面的明显更多花费。
附图说明
图1a和图1b示意性地在俯视图中和在横截面中示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有两个多晶硅层、具有微机械摆杆结构。
图2示意性地在横截面中示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有三个多晶硅层、具有微机械摆杆结构。
图3a示意性地在横截面中示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有三个多晶硅层、具有微机械蹦床结构。
图3b和图3c示意性地在横截面中分别示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有两个多晶硅层、具有微机械蹦床结构、具有在振动质量旁边的测量电容和参考电容。
图4a至图4c示意性地在俯视图和两个剖面中示出在第一实施例中的根据本发明的z加速度传感器，该z加速度传感器具有三个多晶硅层、具有微机械蹦床结构、具有在振动质量下方的测量电容和参考电容。
图5示意性地在俯视图中示出在第二实施例中的根据本发明的z加速度传感器，该z加速度传感器具有两个另外的测量轴线。
图6a和图6b示意性地在俯视图和一个剖面中示出在第三实施例中的根据本发明的z加速度传感器，该z加速度传感器具有两个另外的测量轴线。
图7a至图7c示意性地在俯视图中示出用于悬挂根据本发明的z加速度传感器的蹦床结构的弹簧组件。
具体实施方式
图1a和图1b示意性地在俯视图中和在剖面AB中示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有两个多晶硅层、具有微机械摆杆结构。该传感器在衬底1上具有第一氧化物层O1并且在该第一氧化物层上具有第一多晶硅层P1。测量电极10被结构化到该第一多晶硅层中。在第一多晶硅层的上方布置有较厚的第二多晶硅层P2。能运动的微机械结构在第二硅层中形成并且借助锚固部40锚固在位于其下方的衬底上，该能运动的微机械结构具有振动质量30和悬挂弹簧50，所述悬挂弹簧呈扭转弹簧的形式。
图2示意性地在横截面中示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有三个多晶硅层、具有微机械摆杆结构。该传感器在衬底1上具有第一氧化物层O1并且在该第一氧化物层上具有第一多晶硅层P1。测量电极10被结构化到该第一多晶硅层中。在该第一多晶硅层的上方布置有第二多晶硅层P2并且在该第二多晶硅层上布置有较厚的第三多晶硅层P3，在所述第二多晶硅层和所述第三多晶硅层中形成有能运动的微机械结构。该结构具有盆形部分和填充部分，所述盆形部分和填充部分布置在悬挂弹簧50的两侧上。由此形成不对称地布置的振动质量30。悬挂弹簧是扭转弹簧，并且能够实现振动质量的由于传感器在垂直于衬底的主延伸平面(x,y)的方向z上的加速度的偏转。为了避免右摆杆臂的过早撞击，在外侧区域中的基本间距d1选择得比在具有基本间距d0的分析处理电极的区域中略大。
图3a示意性地在横截面中示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有三个多晶硅层、具有微机械蹦床结构。该传感器在衬底1上具有第一氧化物层O1并且在该第一氧化物层上具有第一多晶硅层P1。测量电极10、底部电极被结构化到该第一多晶硅层中。在第一多晶硅层的上方布置有较厚的第二多晶硅层P2。能运动的微机械结构在第二硅层中形成并且借助锚固部40锚固在位于其下方的衬底上，该能运动的微机械结构具有振动质量30和悬挂弹簧50，所述悬挂弹簧能够实现该质量在第一方向z上的直线偏转。在第二多晶硅层的上方布置有第三多晶硅层P3，该第三多晶硅层形成测量电极10、顶部电极。
图3b和图3c示意性地在横截面中分别示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有两个多晶硅层、具有微机械蹦床结构、具有在振动质量旁边的测量电容和参考电容。
图3b示出如下传感器：该传感器具有衬底1，该衬底具有主延伸平面(x,y)，并且该传感器在该衬底上平行于延伸平面地具有层序列，该层序列由第一氧化物层O1、第一多晶硅层P1、第二氧化物层O2和厚的第二多晶硅层P2组成。在第一多晶硅层中形成有测量电极10和下参考电极15。在第二多晶硅层P2中形成有能运动的微机械结构，该能运动的微机械结构具有振动质量30和悬挂弹簧50。振动质量能够在z方向上直线地偏转，并且借助悬挂弹簧悬挂在锚固部40上。平行于延伸平面来看，振动质量和上参考电极并排布置。在上参考电极25与下参考电极15之间布置有第二氧化物层O2，该第二氧化物层构成该电容器结构的电介质。
图3c示出与在图3b中示出的传感器相似的传感器。不同的是，在此在上参考电极25与下参考电极15之间是空间隙，因此，位于那里的大气构成该电容器结构的电介质。
图4a至图4c示意性地在俯视图和两个剖面中示出在第一实施例中的根据本发明的z加速度传感器，该z加速度传感器具有三个多晶硅层、具有微机械蹦床结构、具有在振动质量下方的测量电容和参考电容。
图4a示出俯视图，并且图4b和图4c示出沿着在图4a中画出的线A–B和C–D的剖面。
示出如下传感器：该传感器具有衬底1和层序列，该衬底具有主延伸平面(x,y)，该层序列平行于该延伸平面布置在该衬底上，该层序列由第一氧化物层O1和第一多晶硅层P1、在第一多晶硅层上方的第二多晶硅层P2和在第二多晶硅层上方的厚的第三多晶硅层P3组成。在第二和第三多晶硅层中形成有能运动的微机械结构，该能运动的微机械结构具有一个振动质量30和四个悬挂弹簧50。该能运动的微机械结构借助所述悬挂弹簧紧固在四个锚固部40上。该结构的悬挂这样形成，使得该振动质量能够在垂直于延伸平面(x,y)的第一方向z上直线地偏转。在第一多晶硅层P1中形成有测量电极10和下参考电极15。在第二多晶硅层P2中形成有上参考电极25，并且所述上参考电极分别悬挂在锚固部40上。在振动质量30与测量电极10之间分别形成有测量电容。
在下参考电极15与上参考电极25之间分别形成有参考电容。
在第一方向z上看，该能运动的微机械结构覆盖上参考电极并且因此也覆盖下参考电极。
当在z方向上加速时，该质量在z方向上偏转。借助在P1层中实现的分析处理电极来测量间距变化和与此相关的电容变化。在图4的实施例中，分析处理电极布置在锚固部的环境中的四个分开的区域中。在分析处理电极的区域中，振动质量在P3层中和在P2层中实施，即通过P2层与P1层之间的间隙限定分析处理电容C1。此外，在振动质量的下方布置有(在该实施例中同样四个)参考电极，其中，上参考电极在P2层中实现并且参考底部电极在P1层中实现，使得在面向彼此的表面之间构造参考电容C2。即，参考电容与分析处理电容一样通过P2层与P1层之间的间隙限定。在图4的特别优选的实施方式中(尤其参见子图4b)，移除上参考电极与参考底部电极之间的牺牲氧化物。因此，参考电容C2不仅具有与分析处理电极相同的间隙，还将在xy平面中具有与分析处理电极相同的几何形状和尺寸设计，这也同时包含P2层中的穿孔。因此得出分析处理电容C1和参考电容C2的非常好的一致性。与在图3b和图3c中描述的现有技术不同，振动质量的部分可以布置在P3层中的参考电极的上方，即，面积在参考电极的区域中仿佛被双重使用。
上参考电极必须位于与能运动的质量相同的电位上。为了使在电布线时的花费和面积需求最小化，上参考电极优选直接附接在用于质量结构的锚固部上。此外，这具有如下优点：分析处理电极和参考电极与锚固部直接相邻地布置。因此，导致衬底变形的机械应力将仅导致在分析处理电极和参考电极的区域中的无关紧要的间距变化。此外，在分析处理电极和参考电极上的本来已经很小的间距变化由于其直接相邻而基本上是同方向的且具有非常相似的量值，使得不会由于机械应力构成明显的电容差C1–C2。即，尽管该传感器的蹦床结构，该传感器仍然具有非常好的偏移稳定性。
该振动质量的尺寸几乎不由于参考电极的存在而被缩小即，该传感器具有非常高的质量(相对于传感器芯面积)并且因此具有非常低的布朗噪声。由于该传感器在z方向上平移运动，与在z形摆杆的情况下(参见第2页)不同，全部运动幅度包含到在分析处理电极上的间距变化中。这导致与摆杆设计相比提高的机械灵敏度dz/da，并且由于该机械灵敏度作为因素包含到电灵敏度dC/da中(dC/da＝dC/dz*dz/da)，这导致提高的电灵敏度，该电灵敏度对电子噪声起到降低作用。如果不需要提高电灵敏度(例如由于布朗噪声强烈地占主导地位，即，通过降低电子噪声不能够实现对整体噪声的显著改进)，则由于提高的机械灵敏度可以替代地降低电极灵敏度dC/dz，其方式要么是电极面积实施得较小，要么是增大P1层与P2层之间的间隙。尤其是，当应在相同的芯片上附加地布置转速传感器和/或标准加速度传感器时，后者可以是有价值的选项，该标准加速度传感器更确切地说针对高的偏移稳定性和振动稳健性而非针对极小的噪声值来优化。在摆杆结构中的噪声极小的加速度传感器的情况下，芯片集成会是困难的，因为在摆杆结构的情况下，为了实现足够高的电灵敏度，用于分析处理电容的间隙必须选择得非常小，以便实现高的电极灵敏度dC/dz并且因此尽管低的机械灵敏度dz/da也仍然实现高的电灵敏度dC/da。相反，转速传感器和标准加速度传感器通常配备有明显更大的牺牲氧化物厚度和电极间隙。为了一方面为转速传感器和标准加速度传感器并且另一方面为噪声极小的加速度传感器实现不同的牺牲氧化物厚度并且因此实现电极间隙，会需要可观的在工艺技术方面的附加花费。相反，与摆杆结构不同，根据本发明的蹦床布置可以良好地应对较大的电极间隙，并且因此特别好地适合用于将噪声极小的加速度传感器与转速传感器或者也与传统的加速度传感器集成。
图5示意性地在俯视图中示出在第二实施例中的根据本发明的z加速度传感器，该z加速度传感器具有两个另外的测量轴线。
与图4a的实施例不同，能运动的微机械结构在振动质量30中具有凹槽，在所述凹槽中布置有电极指11，所述电极指连同第一固定电极110和第二固定电极120一起构成差分测量电容，用于测量振动质量在x方向和y方向上的加速度。如果悬挂弹簧50这样形成，使得不仅确保在z方向上的柔韧性，还确保在x方向和y方向上的柔韧性，则通过这种方式能够实现具有共同的振动质量的三轴加速度传感器。该振动质量可以在所有三个空间方向上平移地偏转，并且因此在整个周缘上在x方向、y方向和z方向上起到降低噪声的作用，与其在现有技术US 6892576 B2中的情况相似。在该实施例中，用于x探测和y探测的固定电极单个地紧固在第一和第二导体电路供应装置110、120上，所述导体电路供应装置在P1层中或者也在P2层中实施。在本发明的意义上，x电极和y电极的其他实施方式同样是可能的，例如具有用于多个电极指的共同的悬挂点的实施方式，如在出版物DE 102009045391A1和DE102012200740A1中示出的那样。
图6a和图6b示意性地在俯视图和一个剖面中示出在第三实施例中的根据本发明的z加速度传感器，该z加速度传感器具有两个另外的测量轴线。这涉及构造在图5的结构上的三通道加速度传感器。在此，提高电极指的电容，其方式是，布置在y方向上有效的另外的电极单元、即另外的电极指11，而在x方向上不增大有效的电极单元的数量，而是增大电极指11的长度。
尤其是，有利地可能的是，将电极指以部分重叠的方式布置在用于z探测的上参考电极的上方。因此，也仿佛实现双重的面积利用，其方式是，用于x探测的分析处理电容被形成在用于z探测的参考电容的上方。该传感器可以通过这种方式特别紧凑地、即在小的芯片面积上并且因此特别成本有利地制造。
此外，根据本发明，原则上可能的是(未在附图中示出)，将弹簧以至少部分重叠的方式布置在固定参考电极的上方。通过这种方式也可以实现双重的面积利用和特别紧凑的布置。
在实现具有共同的振动质量的三轴加速度传感器的情况下，显著的挑战中的一个挑战在于，使一方面在频率和阻尼方面的机械传递功能和另一方面三个测量轴线x、y、z的电灵敏度以适合的方式平衡或者彼此适配。为此尤其需要选择如下弹簧结构：所述弹簧结构在x方向、y方向和z方向上具有期望的(即在四种情况下：彼此相似的)机械刚性。在图4-图6中分别示出通用的蜿蜒弹簧类型，该蜿蜒弹簧类型由多个较长的平行的弹簧腿和多个较短的弹簧腿形成，所述多个较短的弹簧腿垂直于多个较长的平行的弹簧腿布置。
图7a至图7c示意性地在俯视图中示出用于悬挂根据本发明的z加速度传感器的蹦床结构的弹簧组件。
图7a示出由图4至图6已知的弹簧结构50连同锚固部40和振动质量30的片段，所述弹簧结构呈紧凑的蜿蜒弹簧的形式。原则上，这样的蜿蜒弹簧在所有三个空间方向上都是柔韧的。
通过延长在z运动的情况下也承受扭力的短的弹簧腿(图7b)，能够明显降低z刚性，而不显著地影响例如x刚性。然而，视弹簧的层厚度而定地，尤其是在相对高的典型的为20–40μm的层厚度的情况下，可能在技术上困难的是，构造在z方向上足够软的蜿蜒弹簧。
因此，在本发明的背景下特别有利的是，使用所谓的螺旋弹簧。这些弹簧具有螺旋结构，该螺旋结构具有多个彼此成角度地布置的弹簧腿或圆形地或者椭圆形地成形的螺旋臂。对此，图7c示例性地示出成角度的螺旋弹簧。与x方向和y方向相比，该螺旋形状允许弹簧在z方向上的特别高的柔韧性。这是重要的，因为第三多晶硅层P3的厚度明显大于典型的弹簧腿的宽度，所述弹簧基本上构造在该第三多晶硅层中。因此，原则上，与在z方向上相比，具有例如20–40μm高度和2–4μm宽度的简单的弯曲梁能够明显更容易在x方向或y方向上偏转。但是，在z方向上的与x方向或y方向相比高的柔韧性可以借助呈螺旋形状的相对宽的弹簧腿实现，因为螺旋弹簧的x刚性/y刚性以弹簧宽度的三次方扩展，而z刚性仅以线性指数扩展。有利地，由此，加速度传感器在所有三个空间方向上的机械灵敏度和/或电灵敏度能够良好地彼此适配或者彼此适应。
附图标记列表
1衬底
O1第一氧化物层
O2第二氧化物层
P1第一多晶硅层
P2第二多晶硅层
P3第三多晶硅层
10测量电极
11电极指
15下参考电极
25上参考电极
30振动质量
35凹槽
40锚固部
50悬挂弹簧
110第一固定电极
111第一导体电路
120第二固定电极
121第二导体电路

Claims (9)

1.一种电容式微机械z加速度传感器，
具有衬底(1)和层序列，所述衬底具有主延伸平面(x,y)，所述层序列平行于所述延伸平面，所述层序列由在所述衬底上方的第一多晶硅层(P1)、在所述第一多晶硅层上方的第二多晶硅层(P2)和在所述第二多晶硅层上方的第三多晶硅层(P3)组成，
具有能运动的微机械结构，所述能运动的微机械结构具有振动质量(30)，所述振动质量能够在垂直于所述延伸平面(x,y)的第一方向z上直线地偏转，
其中，所述能运动的微机械结构在所述第二多晶硅层和所述第三多晶硅层中形成，
其中，在所述振动质量与测量电极(10)之间形成测量电容，并且所述测量电极在所述第一多晶硅层中形成，
其中，在下参考电极(15)与上参考电极(25)之间形成参考电容，所述下参考电极在所述第一多晶硅层中形成并且所述上参考电极在所述第二多晶硅层中形成，
其中，在所述第一方向z上看，所述能运动的微机械结构至少部分地覆盖所述上参考电极。
2.根据权利要求1所述的电容式微机械z加速度传感器，其特征在于，所述能运动的微机械结构借助至少一个锚固部(40)、尤其是借助四个锚固部锚固在所述衬底(1)上。
3.根据权利要求2所述的电容式微机械z加速度传感器，其特征在于，所述上参考电极(25)悬挂在所述锚固部(40)上。
4.根据权利要求2或3所述的电容式微机械z加速度传感器，其特征在于，所述能运动的微机械结构具有至少一个悬挂弹簧(50)，并且所述振动质量(30)借助所述悬挂弹簧悬挂在所述锚固部(40)上。
5.根据权利要求4所述的电容式微机械z加速度传感器，其特征在于，在z方向上看，所述能运动的微机械结构具有面重心，并且所述锚固部(40)布置得比所述悬挂弹簧(50)更靠近所述面重心。
6.根据权利要求4或5所述的电容式微机械z加速度传感器，其特征在于，在所述第一方向z上看，所述振动质量(30)至少部分地覆盖所述上参考电极(25)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的电容式微机械z加速度传感器，其特征在于，在所述第一方向z上看，所述悬挂弹簧(50)和所述上参考电极(25)至少部分地相互覆盖。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的电容式微机械z加速度传感器，其特征在于，所述振动质量(30)能够在第二方向x上和/或在第三方向y上平行于所述延伸平面偏转，并且具有用于证实在所述方向上的偏转的电极指(11)。
9.根据权利要求4至7中任一项所述的电容式微机械z加速度传感器，其特征在于，在所述第一方向z上看，所述电极指(11)、所述上参考电极(25)至少部分地相互覆盖。
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