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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zum Erfassen von Beschleunigungen in drei Raumrichtungen mit mindestens einer in drei Raumrichtungen auslenkbaren seismischen Masse, mit einer Membranstruktur, die als Aufhängung für die seismische Masse fungiert und mindestens eine Elektrode umfasst, und mit mindestens einer feststehenden Gegenelektrode zum kapazitiven Erfassen der Auslenkungen der Membranstruktur.
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Insbesondere im Konsumerbereich besteht zunehmend Bedarf an kostengünstigen Beschleunigungssensoren für alle drei Raumrichtungen mit kleiner Bauform und einem möglichst niedrigen Energieverbrauch.
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In „Design and fabrication of a highly symmetrical capacitive triaxial accelerometer“, Gang Li et al., Journal of Micromechanics and Microengineering 11 (2001) 48-54 wird ein mikromechanisches Sensorelement der eingangs genannten Art beschrieben, mit dem sich Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen erfassen lassen. Das bekannte Sensorelement umfasst eine pyramidenstumpfförmige seismische. Masse mit quadratischer Grundfläche, die über vier Stege, in einem Rahmen aufgehängt ist, so dass sie in allen drei Raumrichtungen auslenkbar ist. Die seismische Masse ist aus einem Halbleitersubstrat herausstrukturiert, während die vier Stege lediglich in einer Oberflächenschicht dieses Substrats ausgebildet sind. Aufgrund entsprechender Dotierung fungiert diese Oberflächenschicht als Elektrode. Des Weiteren umfasst der Aufbau des bekannten Sensorelements einen starren Glaswafer, der die Aufhängungsstege und die seismische Masse überspannt aber beabstandet zur dotierten Substratoberfläche angeordnet ist. Die der dotierten Substratoberfläche zugewandte Oberfläche des Glaswafers ist mit mehreren Gegenelektroden versehen. Die einzelnen Richtungskomponenten einer auf die seismische Masse einwirkenden Beschleunigung werden hier durch Auswertung der Kapazitäten ermittelt, die zwischen der substratseitigen Elektrode und den einzelnen glaswaferseitigen Gegenelektroden erfasst werden.
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Das bekannte Sensorelement umfasst also eine seismische Masse mit nur einer beweglichen Elektrode aber mehreren feststehenden und voneinander beabstandet auf einem Glaswafer angeordneten Gegenelektroden, so dass mehrere Elektrodenpaare zur kapazitiven Signalerfassung zur Verfügung stehen.
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Die Herstellung des bekannten Sensorelements ist vergleichsweise aufwendig, da der Glaswafer und das Halbleitersubstrat unabhängig voneinander prozessiert werden müssen und danach justiert miteinander verbunden werden müssen. Zudem muss das Halbleitersubstrat zweiseitig prozessiert werden. Dabei erfordert insbesondere die Strukturierung der Rückseite zum Freilegen der seismischen Masse spezielle Verfahrensschritte. Hinzu kommt, dass der Platzbedarf einer in Bulk-Mikromechanik erzeugten Bauelementstruktur relativ groß ist.
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Aus den Schriften
DE 693 33 129 T2 und
DE 10 2006 040 489 A1 sind Winkelgeschwindigkeitssensoren bekannt, bei denen die Bewegung einer seismischen Masse mittels zweier Elektroden erfasst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von diesem Stand der Technik wird ein Sensorelement zum Erfassen von Beschleunigungen in drei Raumrichtungen vorgeschlagen, das zuverlässige Messergebnisse liefert und sich zudem in kleiner Bauform und kostengünstig realisieren lässt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Membranstruktur des beanspruchten Sensorelements mindestens vier elektrisch voneinander getrennte Elektrodenbereiche, die über die seismische Masse mechanisch gekoppelt sind. Es ist nämlich erkannt worden, dass sich mehrere gegeneinander isolierte Elektrodenbereiche auch in einfacher Weise auf einer Membranstruktur realisieren lassen. Je nach dem, ob das Sensorelement eine oder mehrere feststehende Gegenelektroden umfasst, stehen dann mehrere elektrisch und mechanisch gekoppelte oder auch nur mechanisch gekoppelte Kapazitäten zur Signalerfassung zur Verfügung. Die Ausbildung von isolierten Elektrodenbereichen in der Membranstruktur erweist sich prozesstechnisch als vorteilhaft und ermöglicht einen hohen Grad an Miniaturisierung.
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Erfindungsgemäß ist in der Gegenelektrode eine Öffnung ausgebildet, in die die seismische Masse hineinragt. Diese Öffnung muss so groß sein, dass die Bewegung der seismischen Masse nicht durch die Gegenelektrode eingeschränkt wird.
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Die Struktur des erfindungsgemäßen Sensorelements lässt sich in vorteilhafter Weise mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik in einem Schichtaufbau über einem Halbleitersubstrat realisieren, insbesondere die Membranstruktur mit den elektrisch voneinander getrennten Elektrodenbereichen und die Gegenelektrode, wobei zwischen den Elektrodenbereichen und der Gegenelektrode ein Hohlraum ausgebildet wird. Die resultierende Bauform ist besonders kompakt. Außerdem kommen bei dieser Art der Herstellung ausschließlich Standardprozesse zum Einsatz, die einfach in Herstellungsverfahren anderer Bauelemente integriert werden können, wie beispielsweise eines oberflächenmikromechanisch erzeugten Schallwandlers. Auf diese Weise können auch unterschiedliche Sensorelemente mit einer gemeinsamen Auswerteschaltung auf einem Chip integriert werden.
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Werden die Membranstruktur und die Gegenelektrode des erfindungsgemäßen Sensorelements in einem Schichtaufbau über einem Substrat erzeugt, so kann die seismische Masse einfach ebenfalls aus diesem Schichtaufbau herausstrukturiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sie zumindest teilweise aus denselben Schichten herausstrukturiert wird wie die Gegenelektrode, so dass eine Öffnung in der Gegenelektrode entsteht, in die die seismische Masse hineinragt.
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Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensorelements besteht in einer Vergrößerung der seismischen Masse. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, zumindest einen Teil der seismischen Masse aus dem Substrat herauszustrukturieren, so dass die seismische Masse zusätzlich zum Schichtmaterial der Gegenelektrode auch Substratmaterial umfasst.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gegenelektrode des Sensorelements perforiert, so dass der Hohlraum zwischen der Membranstruktur und der Gegenelektrode über die Perforationsöffnungen in der Gegenelektrode an die Umgebung angeschlossen ist. Dadurch kann die strukturbedingte Dämpfung der Membranstruktur mit der seismischen Masse weitgehend reduziert werden und so auch die Empfindlichkeit des Sensorelements gesteigert werden.
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Dazu tragen auch Federelemente bei, die als Aufhängungen für die einzelnen Elektrodenbereiche in der Membranstruktur ausgebildet sind. Durch die Öffnungen in der Membranstruktur zwischen den einzelnen Federelementen wird die Dämpfung der Sensorstruktur nämlich ebenfalls reduziert. Außerdem können intrinsische Zug- oder Druckspannungen in der Sensorstruktur über derartige Federelemente abgebaut werden, was sich ebenfalls positiv auf die Empfindlichkeit des Sensorelements auswirkt.
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Figurenliste
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
- 1 zeigt einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines ersten erfindungsgemäßen Sensorelements,
- 2 zeigt eine Draufsicht auf die strukturierte Gegenelektrode eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
- 3a bis 3d zeigen vier unterschiedliche Membranstrukturen eines erfindungsgemäßen Sensorelements jeweils in Draufsicht,
- 4 zeigt einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines zweiten erfindungsgemäßen Sensorelements, und
- 5a/b, zeigen schematische Schnittdarstellungen durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement unter Einfluss von in drei Raumrichtungen wirkenden Beschleunigungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 zum Erfassen von Beschleunigungen in drei Raumrichtungen umfasst eine seismische Masse 11, die über eine Membranstruktur 12 in einem Rahmen 13 aufgehängt ist, so dass sie in allen drei Raumrichtungen auslenkbar ist. Die Auslenkungen der seismischen Masse 11 werden kapazitiv erfasst. Dazu umfasst die Membranstruktur 12 des Sensorelements 10 erfindungsgemäß vier elektrisch voneinander getrennte Elektrodenbereiche 14a bis 14d, von denen in der Schnittdarstellung der 1 lediglich die Elektrodenbereiche 14b und 14d zu erkennen sind. Alle vier Elektrodenbereiche 14a bis 14 d sind über die seismische Masse 11 mechanisch gekoppelt, was insbesondere durch die 3a bis 3d veranschaulicht wird. Ferner umfasst das Sensorelement 10 eine feststehende Gegenelektrode 15 für die Elektrodenbereiche 14a bis 14d, die unterhalb des deformierbaren Bereichs der Membranstruktur 12 ausgebildet ist.
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Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gesamte Sensorstruktur in einem Schichtaufbau über einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet. Die Funktionen der einzelnen Schichten dieses Aufbaus werden nachfolgend nur insoweit erläutert als sie für die Struktur und Wirkungsweise des hier in Rede stehenden Sensorelements 10 von Bedeutung sind. So umfasst der Schichtaufbau mindestens eine erste Isolationsschicht 2, durch die das Halbleitersubstrat 1 gegen die weiteren Schichten des Schichtaufbaus elektrisch isoliert wird, mindestens eine Schicht 3, in der die Gegenelektrode 15 realisiert ist, so dass diese Schicht 3 im Folgenden als Gegenelektrodenschicht 3 bezeichnet wird, mindestens eine zweite Isolationsschicht 4 über der Gegenelektrodenschicht 3 und über der zweiten Isolationsschicht 4 mindestens eine Membranschicht 5, in der die Membranstruktur 12 ausgebildet ist. Die seismische Masse 11 ist hier im Wesentlichen in der Gegenelektrodenschicht 3 ausgebildet.
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Die hier dargestellte Membranstruktur 12 wurde mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik freigelegt. Dazu wurde über der zweiten Isolationsschicht 4 eine Opferschicht erzeugt und entsprechend der Geometrie der Membranstruktur 12 kreisringförmig strukturiert. Erst danach wurde die Membranschicht 5 aufgebracht. Durch Entfernen der Opferschicht wurde die kreisringförmige Membranstruktur 12 dann freigelegt, wobei ein Hohlraum 6 zwischen der Membranstruktur 12 und der Gegenelektrodenschicht 3 bzw. der zweiten Isolationsschicht 4 entstand,, der sich torusförmig um den Bereich der seismischen Masse 11 erstreckt. Die Opferschicht wurde im Anschluss an eine Strukturierung der Substratrückseite entfernt.
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Im Zuge dieser Rückseitenstrukturierung wurde auch die seismische Masse 11 des Sensorelements 10 definiert und freigelegt. Dazu wurde zunächst eine Kaverne 7 in der Rückseite des Halbleitersubstrats 1 erzeugt. Diese Kaverne 7 wird in der Tiefe von der ersten Isolationsschicht 2 begrenzt und erstreckt sich hier seitlich über den gesamten Bereich der Membranstruktur 12, kann aber auch eine geringere oder größere laterale Ausdehnung haben. In einem anschließenden, ebenfalls von der Substratrückseite ausgehenden Trenchprozess wurden ein kreisringförmiger Trenchgraben 8 und Perforationsöffnungen 9 erzeugt, die sich durch die erst Isolationsschicht 2, die Gegenelektrodenschicht 3 und die zweite Isolationsschicht 4 bis in die Opferschicht erstreckten. Erst danach wurde die Opferschicht von der Substratrückseite ausgehend, über den kreisringförmigen Trenchgraben 8 und die Perforationslöcher 9 entfernt. Dabei wurde die Membranstruktur 12 mit der seismischen Masse 11 freigelegt, so dass diese nur noch über die Membranstruktur 12 am Rahmen 13 aufgehängt ist und sowohl senkrecht zu den Schichtebenen in z-Richtung auslenkbar ist, als auch in der Schichtebene in x/y-Richtung. Bei dieser Ausführungsform ragt die seismische Masse 11 also in eine Öffnung in der kreisringförmig um den Trenchgraben 8 ausgebildeten Gegenelektrode 15 hinein. Die Perforationsöffnungen 9 dienen zur Entdämpfung bzw. Belüftung der Sensorstruktur und zum Druckausgleich. Das Layout der Gegenelektrodenschicht 3 mit kreisringförmigem Trenchgraben 8 und Perforationsöffnungen 9 ist nochmals gesondert in 2 dargestellt, wobei die Anordnung, Anzahl und Größe der Perforationsöffnungen je nach Bedarf gewählt werden können. Dieses Layout entspricht einem Schnitt entlang der Achse II-II in 1.
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Wie bereits erwähnt, sind in der Membranstruktur 12 des Sensorelements 10 erfindungsgemäß vier elektrisch voneinander getrennte Elektrodenbereiche 14a bis 14d realisiert, die über die seismische Masse 11 mechanisch gekoppelt sind. Die 3a bis 3d zeigen vier verschiedene Layouts für die Elektrodenbereiche 14a bis 14d des in 1 dargestellten Sensorelements 10. In allen vier Darstellungen 3a bis 3d - ist die Kontur der seismischen Masse 11 als gestrichelte Kreislinie 11 dargestellt. Außerdem werden die Elektrodenbereiche 141a bis 141d, 142a bis 142d, 143a bis 143d, 144a bis 144d bei allen vier Ausführungsformen durch Kreisscheibensegmente gleicher Form und Größe gebildet, die durch einen kreuzförmigen elektrisch isolierenden Bereich 16 in der Membranstruktur 12 und/oder durch eine entsprechende Ausnehmung in der Membranstruktur 12 elektrisch isoliert sind.
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Im Fall der 3a erstreckt sich die Elektrodenfläche der einzelnen Elektrodenbereiche 141a bis 141d jeweils über ein vollständiges Kreisscheibenviertel, so dass die Spitzen dieser Kreisscheibenviertel auf der Oberfläche der seismischen Masse 11 angeordnet sind. Im Unterschied dazu sind die Elektrodenbereiche 142a bis 142d im Fall der 3b in Form von Viertelkreissegmenten ausgeführt, die sich lediglich bis zum äußeren Rand der seismischen Masse 11 erstrecken. Bei den in den 3c und 3d dargestellten Varianten sind die Elektrodenbereiche 143a bis 143d (3c) und 144a bis 144d (3d) wie in 3a in Form von Kreisscheibenvierteln ausgebildet. Allerdings sind die Elektrodenbereiche 143a bis 143d über Stege 17 und die Elektrodenbereiche 144a bis 144d über Federelemente 18 im Rahmen 13 aufgehängt, was zu einer Empfindlichkeitssteigerung gegenüber der in 3a dargestellten Variante führt. Die Stege 17 wie auch die Federelemente 18 sind im Randbereich der jeweiligen Membranstruktur 12 ausgebildet.
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Der Schichtaufbau und die Struktur des in 4 dargestellten Sensorelements 20 entsprechen im Wesentlichen denen des in 1 dargestellten Sensorelements 10. Im Unterschied dazu erstreckt sich die seismische Masse 21 des Sensorelements 20 über die gesamte Dicke des Schichtaufbaus einschließlich des Substrats 1. Dazu wurde bei der Rückseitenstrukturierung an Stelle der Kaverne 7 ein kreisringförmiger Graben 27 erzeugt.
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Die 5a/b veranschaulichen die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Sensorelements 30 mit einer in drei Raumrichtungen auslenkbaren seismischen Masse 31, mit einer Membranstruktur 32, die als Aufhängung für die seismische Masse 31 in einem Rahmen 33 fungiert und vier elektrisch voneinander getrennte Elektrodenbereiche 34a bis 34d umfasst, von denen auch hier wieder nur die Elektrodenbereiche 34b und 34d dargestellt sind. Diese vier Elektrodenbereiche 34a bis 34d sind über die seismische Masse 31 mechanisch gekoppelt. Außerdem umfasst das Sensorelement 30 mindestens eine feststehende Gegenelektrode 35 zum kapazitiven Erfassen der Auslenkungen der Membranstruktur mit der seismischen Masse 31. Dabei bilden die vier Elektrodenbereiche 34a bis 34d zusammen mit der gemeinsamen Gegenelektrode 35 vier Kapazitätspaare C1 bis C4.
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5a zeigt das Verhalten des Sensorelements 30 unter dem Einfluss einer in z-Richtung wirkenden Beschleunigung, die hier in Form des Pfeils 40 dargestellt ist. Diese Beschleunigung 40 senkrecht zur Membranebene führt zu einer gleichmäßigen Verkleinerung des Spalts zwischen den Elektrodenbereichen 34a bis 34d und der Gegenelektrode 35 und somit zu einer gleichmäßigen Kapazitätsvergrößerung aller vier Kapazitätspaare C1 bis C4. Eine Beschleunigung in x-/y-Richtung, also in der Membranebene, wie sie in 5b als Pfeil 50 dargestellt ist, führt zu einer ungleichmäßigen Spaltveränderung. Demnach können die Richtung und der Betrag der Beschleunigung 50 in der x-/y-Ebene ermittelt werden, indem die unterschiedlichen Änderungen der einzelnen Kapazitäten C1 bis C4, beispielsweise durch Differenzmessungen, erfasst und ausgewertet werden.
