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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches System.
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Mikromechanische
Systeme, wie z. B. mikromechanische Wandler, Inertialsensoren, Beschleunigungssensoren,
nieder-g--Beschleunigungssensoren,
Drehratensensoren und verwandte Bauteile finden heutzutage breite
Anwendung. So werden diese beispielsweise zur Auslösung von
Airbags in Kraftfahrzeugen (KFZ) oder auch zur Detektion von Erschütterungen
in Computerfestplatten eingesetzt. Ein mikromechanischer Sensor
umfasst dabei oft eine mikromechanisch strukturierte bewegliche
Masse, deren Bewegung, hervorgerufen durch eine Beschleunigung,
Erschütterung
oder Bewegung, detektiert wird. Hierzu kann unter Anderem eine elektrische
Kapazität
zwischen der Masse und einer Referenzelektrode laufend gemessen
werden, da die elektrische Kapazität abhängig von der Distanz der Masse
zur Referenzelektrode ist.
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Darüber hinaus
werden mikromechanischen Systemen aufgrund deren breiten Anwendungsspektrums
teilweise anspruchsvolle Einsatzumgebungen zugemutet. Hierzu zählen Temperaturschwankungen,
Vibrationen, mechanische Verspannungen und Stöße. Diese Einflüsse können sich
nachteilig auf den mikromechanischen Sensor auswirken, und seine
Zuverlässigkeit
und/oder Lebensdauer herabsetzen. Ferner können derartige Einflüsse, z.
B. Vibrationen in einem KFZ, die mit der eigentlich zu de tektierenden
Bewegung nicht im Zusammenhang stehen, bei vielen Anwendungen nicht
vermieden werden.
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Um
das mikromechanische System von derartigen nachteiligen Einflüssen zu
schützen
und um die Zuverlässigkeit
des Systems beizubehalten, können
gewisse Maßnahmen
getroffen werden. Derartige Konzepte umfassen dabei ein spezielles
Design des Sensors, eine spezielle Konstruktion des Systemgehäuses oder
aber auch Maßnahmen
im Modul und/oder im Steuergerät.
Gemeinsam ist diesen Maßnahmen
ein erhöhter
Aufwand bei Produktion, Verbau und/oder Betrieb des mikromechanischen Systems.
Dies kann ferner in nachteiliger Weise zu erhöhten Kosten führen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches
System bereitzustellen, das einerseits möglichst unempfindlich gegenüber störenden Einflüssen ist,
insbesondere mechanischen Verspannungen und Vibrationen, und andererseits
möglichst
günstig
hergestellt werden kann. Ferner sollen derartige mikromechanische Systeme
insbesondere auf Chip- bzw. Wafer-Ebene bereitgestellt werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch das mikromechanische System gemäß Anspruch
1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein mikromechanisches System
vorgesehen, das ein Substrat, eine Aufhängung, eine Basis und einen
mikromechanischen Sensor umfasst, wobei die Aufhängung die Basis über dem
Substrat beweglich trägt
und wobei der mikromechanische Sensor an der Basis angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße mikromechanische
System hat den Vorteil, dass der eigentliche mikromechanische Sensor
von dem Substrat oder von anderen Teilen des mikrome chanischen Systems über die
Aufhängung
mechanisch entkoppelt werden kann. Die mechanischen Eigenschaften
der Aufhängung
können
dann bestimmen welche Art von Bewegungen des Substrats an den mikromechanischen
Sensor übertragen
werden und welche Art von Bewegungen abgeblockt bzw. nur abgeschwächt an den
mikromechanischen Sensor weitergegeben werden. So kann beispielsweise
die Aufhängung
als mechanischer Filter verstanden werden, der, beispielsweise,
Vibrationen in einem bestimmten Frequenzband abdämpft. Ferner kann durch die
Aufhängung
auch eine, z. B. temperaturbedingte, mechanische Verformung des
Substrats von dem mikromechanischen Sensor ferngehalten werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst der mikromechanische Sensor einen
mikromechanischen Beschleunigungssensor, wobei der mikromechanische
Beschleunigungssensor eine bewegliche Masse umfassen kann und eine
Bewegung der Masse in eine Veränderung einer
elektrischen Kapazität
umformen kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine erste Opferschicht auf dem Substrat,
eine erste funktionale Schicht auf der ersten Opferschicht, eine
zweite Opferschicht auf der ersten funktionalen Schicht und eine
zweite funktionale Schicht auf der zweiten Opferschicht angeordnet
und die erste funktionale Schicht umfasst dabei die Basis und die
zweite funktionale Schicht den mikromechanischen Sensor. Die Opferschichten können ferner
Siliziumdioxid und die funktionalen Schichten Silizium aufweisen.
Darüber
hinaus kann eine Verdrahtungsschicht, beispielsweise aus polykristallinem
Silizium, zwischen der ersten funktionalen Schicht und der zweiten
Opferschicht zur elektrsichen Kontaktierung des mikromechanischen
Sensors angeordnet sein. Demge mäß kann das
erfindungsgemäße mikromechanische
System unter Rückgriff
auf standardisierte Herstellungsprozesse und/oder Ausgangsmaterialen
möglicht
kostengünstig
hergestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Aufhängung ein Federelement und
trägt die
Basis federnd. Demgemäß können Verspannungen
und/oder Verformungen des Substrats oder anderer Teile der mikromechanischen
Systems und/oder externer Komponenten von dem mikromechanischen
Sensor ferngehalten werden. Andere und externe Komponenten können dabei
ein Gehäuse,
eine Vergussmasse, eine Befestigung und/oder eine gedruckte Schaltung
umfassen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Aufhängung ein Dämpfungsglied, wobei die Aufhängung eine
Bewegung der Basis dämpft.
Das Dämpfungsglied
kann zusätzlich
zu einem Federelement vorgesehen sein. Dabei kann ein Dämpfungsglied
einen ersten Satz von Fingern und einen zweiten Satz von Fingern
umfassen, wobei der erste Satz von Fingern ortsfest zu dem Substrat
angeordnet ist und der zweite Satz von Fingern mit der Basis verbunden
ist, und wobei die Finger des ersten Satzes mit den Fingern des
zweiten Satzes ineinandergreifen können. Ferner kann der erste
Satz von Fingern mit einem ersten elektrischen Potenzial und der
zweite Satz von Fingern mit einem zweiten elektrischen Potenzial
verbunden werden, um die Bewegung der Basis aktiv zu dämpfen.
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Demgemäß können in
vorteilhafter Weise die mechanischen Eigenschaften der Aufhängung, insbesondere
deren Schwingungscharakteristik, gezielt eingestellt werden, um,
beispielsweise, Vibrationen in einem bestimmten Frequenzband, von
dem mikromechanischen Sensor fernzuhalten. Durch Variation der Potenziale
kann ferner eine dynamische Anpassung der Eigenschaften an unterschiedliche
Einsatzbedingungen erfolgen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen 1A und 1B schematische
Seitenansichten eines mikromechanischen Systems gemäß einer
ersten und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und 2A, 2B und 2C schematische
Draufsichten eines mikromechanischen Systems gemäß einer dritten, vierten und
fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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1A zeigt
in einer schematischen Seitenansicht entlang einer Querschnittsebene
ein mikromechanisches System gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Dabei ist ein erstes mikromechanisches
System 1 in einem Schichtenstapel auf einem Substrat 100 gefertigt. Der
Schichtenstapel umfasst eine erste Opferschicht 111, eine
erste funktionale Schicht 121, eine zweite Opferschicht 112 und
eine zweite funktionale Schicht 122. Das Substrat 100 kann
ein Halbleitersubstrat umfassen, z. B. ein Siliziumsubstrat, wobei
die erste und zweite Opferschicht 111, 112 ein
Halbleiteroxid, beispielsweise Siliziumdioxid, und wobei die erste und
zweite funktionale Schicht 121, 122 ein Halbleiter,
beispielweise Silizium, umfassen können. Der Halbleiter der ersten
und zweiten funktionalen Schicht 121, 122 kann
ferner Silizium, polykristallines Silizium, amorphes Silizium und/oder
epitaktisch aufgewachsenes polykristallines Silizium (EPI) umfassen.
Die Herstellung derartiger mikromechanischer Systeme, wie des ersten
mikromechanischen Systems 1, kann durch einen, an sich
bekannten, Opferschichtprozess erfolgen. Gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Basis 140 aus der ersten
funktionalen Schicht 121 her ausgearbeitet. Die Basis 140 wird
dabei von einer Aufhängung 130 beweglich über dem
Substrat 100 getragen. Die Aufhängung 130 kann flexible
und/oder dämpfende
Glieder umfassen, die hier durch eine schematische Feder 134 und
ein schematisches Dämpfungsglied 135 dargestellt
sind. Eine mechanische Verspannung, eine Vibration oder sonstige
Störeinflüsse, denen
das Substrat 100 und/oder andere Teile des mikromechanischen
Systems 1 ausgesetzt ist, können somit in vorteilhafter
Weise durch die Aufhängung 130 von
der Basis 140 entkoppelt werden. Die mechanischen Eigenschaften
der Aufhängung 130,
wie beispielsweise das Dämpfungsverhalten und/oder
die charakteristischen mechanischen Eigenschwingungen, können derart
gestalten sein, sodass die Basis 140 von den infrage kommenden
oder zu erwartenden Störeinflüssen entkoppelt
wird. So lassen sich beispielsweise die in einem Kraftfahrzeug üblicherweise
auftretenden Vibrationen bei der Gestaltung der Aufhängung berücksichtigen,
da derartige Vibrationen oft durch begrenzte Frequenzbänder charakterisiert
werden können.
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Die
Basis 140 dient ferner als Träger eines mikromechanischen
Sensors 150, der durch weitere Aufhängungen 131 an der
Basis 140 beweglich befestigt ist. Der hier dargestellte
Doppelschwinger in Form zweier Massen 1501 des mikromechanischen Sensors 150 kann
hier auch stellvertretend für übliche mikromechanische
Systeme und/oder Sensoren stehen. So kann beispielsweise der mikromechanische
Sensor 150 einen Membranschwinger, einen Trampolinschwinger,
einen Wippenschwinger, einen Balken-Resonator oder verwandte mechanische Systeme
umfassen. In vorteilhafter Weise sind die mechanischen Eigenschaften
der Aufhängung 130 so
an die mechanischen Eigenschaften der weiteren Aufhängung 131 und
des mikromechanischen Sensors 150 angepasst, dass unerwünschte Bewegungen
des Substrates 100 von dem mikromechanischen Sensor 150 abge blockt
werden, wogegen erwünschte
Bewegungen des Substrats 100 an den mikromechanischen Sensor 150 im
Wesentlichen ungedämpft
weitergegeben werden.
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1B zeigt
in einer schematischen Seitenansicht entlang einer Querschnittsebene
ein mikromechanisches System gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Demgemäß umfasst ein zweites mikromechanisches
System 2 den Schichtenstapel aus der ersten Opferschicht 111,
der ersten funktionalen Schicht 121, der zweiten Opferschicht 112 und
der zweiten funktionalen Schicht 122 auf dem Substrat 100.
Die Basis 140 ist durch die Aufhängung 130 beweglich über dem
Substrat 100 angeordnet. Die Basis 140 trägt ferner
den mikromechanischen Sensor 150, der durch die weitere
Aufhängung 131 beweglich
an der Basis 140 aufgehängt
ist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das mikromechanische System 2 eine
Verdrahtungsschicht 160 zwischen der ersten funktionellen
Schicht 121 und der zweiten Opferschicht 112 auf.
Die Verdrahtungsschicht 160 kann in einem Bereich der Aufhängung 130 angeordnet sein,
Teil der Aufhängung 130 sein
oder durch eine hinreichend dünne
Strukturierung in vorteilhafter Weise die mechanischen Eigenschaften
der Aufhängung 130 im
Wesentlichen unverändert
lassen. Die Verdrahtungsschicht 160 kann in vorteilhafter
Weise eine elektrische Ankontaktierung des mikromechanischen Sensor 150 auf
der Basis 140 ermöglichen. Hierzu
kann das mikromechanische System 2 im weiteren Verlauf
weitere mechanische und/oder elektronische Komponenten umfassen,
die elektrische Signale an den mikromechanischen Sensor 150 weitergeben
bzw. elektrische Signale von dem mikromechanischen Sensor 150 empfangen.
Die Verdrahtungsschicht 160 kann in vorteilhafter Weise
ein leitfähiges
Material umfassen. Beispiele hierfür umfassen Metalle, Aluminium,
Kupfer, Gold, dotierte und/oder undotierte Halbleiter, Silizium,
polykristallines Silizium und amorphes Silizium.
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2A zeigt
in einer schematischen Draufsicht ein mikromechanisches System gemäß einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser
Ausführungsform
umfasst eine Aufhängung 1301 eines
dritten mikromechanischen Systems 3 ein Federelement 136.
Die Federelemente 136 lagern die Basis 140 beweglich über dem
Substrat 100. Hierfür
ist wenigstens die zweite funktionale Schicht 122, die
in der Ansicht der 2A obenauf liegt, entsprechend
strukturiert. Auf oder in der Basis 140 ist ein mikromechanischer
Sensor 151 angeordnet, wie beispielsweise der mikromechanische
Sensor 150 oder der mikromechanischer Sensor 152,
wie sie im Zusammenhang mit den 1A, 1B oder 2C beschrieben
sind.
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Die
Federelemente 136 können
in vorteilhafter Weise mechanische Verspannungen des Substrats 100 ausgleichen
und diese im Wesentlichen von der Basis 140 entkoppeln.
Dementsprechend kann, beispielsweise das Substrat 100 und/oder
weitere Teile das mikromechanischen Systems 3 in der Ebene
verformt werden, obwohl eben diese Verformung nur in unwesentlichem
Ausmaß an
die Basis 140 weitergegeben wird. Eine derartige Verformung
kann beispielsweise durch eine Veränderung der Betriebstemperatur
des mikromechanischen Systems 3 hervorgerufen werden, da,
beispielsweise, das mikromechanische System 3 bei einer
ersten Temperatur mit einer weiteren Schaltung fest verbunden wird, wohingegen
das mikromechanische System 3 bei einer zweiten Temperatur
betrieben wird. Eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur
und der zweiten Temperatur kann dabei üblicherweise mehr als 50°C, mehr als
100°C oder
mehr als 200°C betragen.
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2B zeigt
in einer schematischen Draufsicht ein mikromechanisches System gemäß einer vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Demgemäß ist eine Basis 140 eines
vierten mikromechanischen Systems 4 mit einer Aufhängung 1302 über dem
Substrat 100 beweglich aufgehängt. Die Aufhängung 1302 umfasst
dabei Federelemente 138, wie beispielsweise die Federelemente 136,
die in Zusammenhang mit 2A beschrieben
wurden. Gemäß dieser
Ausführungsform
umfasst die Aufhängung 1302 zusätzlich Dämpfungsglieder 137,
die eine Bewegung der Basis 140 gegenüber dem Substrat 100 dämpfen. Die
Dämpfungsglieder 137 können ferner
einen ersten Satz von ersten Fingern 1371 und einen zweiten
Satz von zweiten Fingern 1372 umfassen. Die ersten Finger 1371 sind
dabei ortsfest mit dem Substrat 100, beispielsweise über eine
erste Opferschicht, eine erste funktionale Schicht, eine zweite
Opferschicht und/oder eine zweite funktionale Schicht, verbunden,
wohingegen die zweiten Finger 1372 fest mit der Basis 140 verbunden
sind.
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Ferner
greifen die ersten Finger 1371 und die zweiten Finger 1372 ineinander.
Eine Dämpfung
zwischen einem ersten Finger 1371 und einem zweiten Finger 1372 kann
beispielsweise durch direkten Kontakt, Adhesion, Reibung, Reibung
in einem viskosen Medium, und/oder ein elektrisches Feld hervorgerufen
und/oder eingestellt werden. Insbesondere kann ein erster Finger 1371 mit
einem ersten elektrischen Potenzial verbunden werden und ein zweiter
Finger 1372 mit einem zweiten elektrischen Potenzial. Eine Potenzialdifferenz
zwischen dem ersten elektrischen Potenzial und dem zweiten elektrischen
Potenzial kann ferner gesteuert und/oder geregelt werden, sodass
die Dämpfungseigenschaften
der Dämpfungsglieder 137 gezielt
beeinflusst, gesteuert oder dynamisch geregelt werden. Gemäß dieser
Ausführungsform
kann daher die mechanische Transmission der Aufhängung 1302, umfassend
die Federelemente 138 und die Dämpfungsglieder 137,
verändert,
eingestellt und/oder vorab bestimmt werden. Vorzugsweise wird somit
eine mechanische Eigenschaft der Aufhängung 1302 bestimmt,
sodass gezielt Verspannungen und/oder Vibrationen, die auf das Substrat 100 oder
weitere Teile des mikromechanischen Systems 4 wirken, von
der Basis 140 im Wesentlichen entkoppelt werden.
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2C zeigt
in einer schematischen Draufsicht ein mikromechanisches System gemäß einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Demgemäß ist in einem fünften mikromechanischen System 5 unter
der zweiten funktionalen Schicht 122 eine Verdrahtungsschicht 161 angeordnet.
Zur Darstellung ist in einem oberen Teil einer Aufhängung 1303 die
zweite funktionale Schicht 122 aufgebrochen dargestellt.
Die Aufhängung 1303 kann
wie die Aufhängungen 130, 1201,
oder 1302 Federelemente und/oder Dämpfungsglieder umfassen, wie
sie im Zusammenhang mit Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben sind.
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Auf
der Basis 140 ist ferner ein mikromechanischer Sensor 152 angeordnet.
Der beispielsweise einen Kippschwinger 1502 umfassen kann,
der in der funktionalen Schicht 121 strukturiert wurde
und durch einen ersten Bereich 1601 der Verdrahtungsschicht 161,
einen zweiten Bereich 1602 der Verdrahtungsschicht 161 und
einen dritten Bereich 1603 der Verdrahtungsschicht 161 ankontaktiert
wird. Demgemäß kann in
vorteilhafter Weise eine elektrische Ankontaktierung des mikromechanischen
Sensors 152 über
die Aufhängung 1303 erfolgen.