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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement
zum Erfassen einer Beschleunigung mit einer drehbaren Schwungmasse
in Form einer Wippe. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zum Herstellen eines solchen Bauelements.
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Stand der Technik
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Mikromechanische
Bauelemente, welche beispielsweise im Automobilbereich als Beschleunigungssensoren
zum Einsatz kommen, weisen üblicherweise eine Mikrostruktur
mit einem beweglichen Funktionselement auf. Die Mikrostruktur, welche auch
als MEMS-Struktur (Micro-Electro-Mechanical System) bezeichnet wird,
kann zum Beispiel eine drehbare Schwungmasse in Form einer Wippe
umfassen. Beispiele derartiger Sensoren sind in
EP 0 244 581 A1 und
EP 0 773 443 B1 beschrieben.
Das Auslesen der Sensoren kann auf kapazitive Weise erfolgen, wobei
die Hebelarme der Wippe als Elektroden dienen und mit zwei weiteren
Gegenelektroden jeweils einen Kondensator bilden.
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Zur
Veranschaulichung zeigen die 1 und 2 ein
herkömmliches mikromechanisches Bauelement 100 in
einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung. Das Bauelement 100 umfasst
ein Substrat 110 mit drei flächigen Elektroden 131, 132, 133. Über
den Elektroden 131, 132, 133 ist eine
Funktionsschicht 150 in Form einer drehbaren Wippe vorgesehen,
welche zwei Hebelarme 151, 152 unterschiedlicher
Länge aufweist. Eine detaillierte Aufsichtsdarstellung
auf das Bauelement 100 ist in 3 abgebildet. 4 zeigt
zusätzlich die laterale Anordnung der Elektroden 131, 132, 133 in
Bezug auf die Hebelarme 151, 152. In einem Bereich
zwischen den Hebelarmen 151, 152 ist eine Torsionsfeder
angeordnet, welche zwei mit einem Stützelement 159 verbundene
Torsionsstege 158 aufweist. Über das Stützelement 159 ist
die Wippe 150 mit dem Substrat 110 bzw. einer
die Elektroden 131, 132, 133 umfassenden
Leiterbahnebene verbunden. Aufgrund der unterschiedlichen Längen
weist der Hebelarm 152 gegenüber dem Hebelarm 151 einen
als Zusatzmasse 153 wirkenden Flächenabschnitt
auf, so dass eine Massenasymmetrie in Bezug auf die Torsionsfeder
vorliegt. In der Wippe 150 ist ferner eine Lochstruktur
mit durchgehenden Aussparungen 155 vorgesehen. Hierdurch
kann ein Ätzmedium an eine in der Herstellung des Bauelements 100 verwendete Opferschicht
herangeführt werden, wodurch die Opferschicht entfernt
und die Wippe 150 freigelegt wird (nicht dargestellt).
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Die
beiden Elektroden 131, 132 bilden jeweils mit
den darüber angeordneten Hebelarmen 151, 152 einen
Kondensator, was zum kapazitiven Erfassen einer Beschleunigung ausgenutzt
wird. Aufgrund des Massenunterschiedes der Hebelarme 151, 152 erfolgt
unter Einwirkung einer Beschleunigungskraft F (senkrecht zum Substrat 110)
wie in 2 dargestellt eine Drehbewegung der Wippe 150 um eine
durch die Torsionsfeder vorgegebene Drehachse, welches verbunden
ist mit einer Abstandsänderung und damit einer Kapazitätsänderung
C – ΔC bzw. C + ΔC zwischen den Hebelarmen 151, 152 und den
Elektroden 131, 132. Die Beschleunigung F kann daher
durch Messen der Kapazität bzw. Kapazitätsänderung
erfasst werden. Die Elektrode 133, welche unter der Zusatzmasse 153 des
zweiten Hebelarms 152 angeordnet ist, dient hierbei zum
Abschirmen des Einflusses eines elektrischen Potentials des Substrats 110 auf
die Zusatzmasse 153 der Wippe 150 im Betrieb des
Bauelements 100, um eine dadurch verursachte Auslenkung
zu unterdrücken. Zu diesem Zweck wird die Elektrode 133 auf
das gleiche elektrische Potential gelegt wie die Wippe 150.
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Ein
wesentlicher Aspekt für die Messgenauigkeit des Bauelements 100 ist
die Nullpunktstabilität, d. h. ob und in welchem Maße
das Messverhalten einer Verschiebung („Offset”)
unterliegt. Eine Nullpunktverschiebung kann neben mechanischen Stresseinflüssen
auch auf elektrische Effekte zurückgeführt werden.
Hierunter fallen Potentialdifferenzen zwischen der die Elektroden 131, 132, 133 umfassenden
Leiterbahnebene und der Wippe 150, welche beispielsweise
durch Oberflächenladungen hervorgerufen werden. Die Oberflächenladungen
können in natürlichen („native”)
Oxidschichten von Komponenten des Bauelements 100 aus Silizium
eingefangen sein und zu Potentialdifferenzen in einem Bereich von
einigen 0,1 V (ca. 100–500 mV) führen. Hierdurch
hervorgerufene Kräfte zwischen den zur Auswertung eingesetzten
Elektroden 131, 132 und den Hebelar men 151, 152 der
Wippe 150 wirken zwar im wesentlichen symmetrisch, so dass
hieraus keine Auslenkung resultiert, sofern die Wippe 150 ursprünglich
gerade steht (d. h. parallel zu dem Substrat 110 ausgerichtet
ist). Ein durch Oberflächenladungen hervorgerufener Potentialunterschied
zwischen der Abschirmelektrode 133 und der Wippe 150,
in 1 durch die Spannung U angedeutet, hat jedoch
eine effektive Kraftwirkung auf die Zusatzmasse 153 bzw.
den Hebelarm 152 und damit eine Verkippung der Wippe 150 zur
Folge. Da sich die prozessbedingten Oberflächenpotentiale
zum Beispiel mit der Temperatur oder während der Lebensdauer des
Bauelements 100 ändern können, kommt
es zu Änderungen der Wippenverkippung und damit zu unerwünschten
Offset-Signalen. Derartige Effekte stellen ein großes Problem
bei Anwendungen zum Erfassen kleiner Beschleunigungswerte („nieder-g-Sensoren”)
wie zum Beispiel ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm)
oder Anfahrhilfen wie HHC (Hill Hold Control) dar.
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Die
Zusatzmasse 153 bewirkt des weiteren einen erhöhten
Platzbedarf und erweist sich ferner als ungünstig für
die Überlastfestigkeit des Bauelements 100. Aufgrund
der unterschiedlichen Längen der Hebelarme 151, 152 ergeben
sich abhängig von der Richtung der auf das Bauelement 100 senkrecht zur
Substratebene einwirkenden Beschleunigung unterschiedliche maximale
Beschleunigungswerte, ab welcher einer der Hebelarme 151, 152 das
Substrat 110 bzw. die Elektroden berührt („Anschlagsbeschleunigung”).
Bei derjenigen Beschleunigungrichtung, bei welcher der Hebelarm 152 in
Richtung des Substrats 110 bewegt wird (2),
ist die Anschlagsbeschleunigung des Bauelements 100 aufgrund
der Zusatzmasse 153 reduziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes mikromechanisches
Bauelement bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden
werden. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen
eines verbesserten mikromechanischen Bauelements anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch
1 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements
gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird
ein mikromechanisches Bauelement zum Erfassen einer Beschleunigung
vorgeschlagen, welches eine leitfähige Schicht mit einer
ersten und einer zweiten Elektrode und eine drehbare Schwungmasse
in Form einer Wippe mit einem ersten und einem zweiten Hebelarm
aufweist. Der erste Hebelarm liegt der ersten Elektrode und der zweite
Hebelarm der zweiten Elektrode gegenüber. Der erste Hebelarm
weist eine erste Lochstruktur mit einer Anzahl an ersten Aussparungen
und der zweite Hebelarm eine zweite Lochstruktur mit einer Anzahl an
zweiten Aussparungen auf. Des Weiteren weisen der erste und der
zweite Hebelarm unterschiedliche Massen auf. Das Bauelement zeichnet
sich dadurch aus, dass die Außenabmessungen des ersten
und zweiten Hebelarms übereinstimmen, und dass sich die
erste Lochstruktur des ersten Hebelarms von der zweiten Lochstruktur
des zweiten Hebelarms unterscheidet.
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Bei
dem mikromechanischen Bauelement wird eine asymmetrische Massenverteilung
der Wippe durch eine unterschiedliche Gestaltung der Lochstrukturen
der Hebelarme verwirklicht. Anstelle die Hebelarme unterschiedlich
lang bzw. mit einer einen zusätzlichen Flächenabschnitt
einnehmenden Zusatzmasse an einem der Hebelarme auszubilden, weisen
die beiden Hebelarme die gleichen Außenabmessungen auf.
Bei dem mikromechanischen Bauelement kann daher auf eine Abschirmelektrode
verzichtet werden. Diese Ausgestaltung bietet die Möglichkeit,
eine durch Oberflächenladungen hervorgerufene Auslenkung
der Wippe zu vermeiden, wodurch das Bauelement eine hohe Nullpunktstabilität aufweist.
Der Wegfall der Zusatzmasse und der Abschirmelektrode ist des weiteren
mit einem geringeren lateralen Platzbedarf des Bauelements und damit niedrigeren
Herstellungskosten verbunden. Darüber hinaus weist das
Bauelement eine höhere Überlastfestigkeit auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird der Massenunterschied
zwischen dem ersten und dem zweiten Hebelarm dadurch erzielt, dass
die ersten Aussparungen der ersten Lochstruktur und die zweiten
Aussparungen der zweiten Lochstruktur unterschiedliche laterale
Abmessungen aufweisen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erste
Elektrode eine dritte Lochstruktur mit einer Anzahl an dritten Aussparungen
und die zweite Elektrode eine vierte Lochstruktur mit einer Anzahl
an vierten Aussparungen auf, wobei sich die dritte Lochstruktur
der ersten Elektrode von der vierten Lochstruktur der zweiten Elektrode
unterscheidet. Der Unterschied in den Lochstrukturen wird vorzugsweise
dadurch erzielt, dass die dritten Aussparungen der dritten Lochstruktur
und die vierten Aussparungen der vierten Lochstruktur unterschiedliche laterale
Abmessungen aufweisen. Das Vorsehen von Lochstrukturen auch in den
Elektroden ist eine zuverlässige Möglichkeit,
das Bauelement im Hinblick auf elektrische Eigenschaften symmetrisch
auszugestalten. Die Lochstrukturen der Hebelarme und Elektroden
können hierbei derart aufeinander abgestimmt werden, dass
bei gleichen Abständen zwischen der ersten Elektrode und
dem ersten Hebelarm und der zweiten Elektrode und dem zweiten Hebelarm
die elektrischen Kapazitäten zwischen der ersten Elektrode
und dem ersten Hebelarm und zwischen der zweiten Elektrode und dem
zweiten Hebelarm (im wesentlichen) übereinstimmen. Auf
diese Weise kann trotz des Einflusses von Oberflächenladungen eine
Symmetrie bezüglich der elektrischen Kräfte auf beiden
Seiten der Wippe hergestellt werden. Auf die Wippe wird daher keine
oder eine vernachlässigbare Nettokraft ausgeübt,
so dass das Bauelement selbst bei veränderlichen Oberflächenpotentialen
eine hohe Nullpunktstabilität aufweist.
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Das
mikromechanische Bauelement kann auf einem Substrat ausgebildet
werden, wobei zwischen der leitfähigen Schicht und dem
Substrat eine isolierende Schicht vorgesehen wird. Dieser Aufbau bewirkt
das Vorliegen von Parasitärkapazitäten zwischen
den Elektroden und dem Substrat, wodurch die Auswertung des Bauelements
beeinträchtigt werden kann. Durch die Ausbildung der Elektroden
mit einer Lochstruktur besteht die Möglichkeit eines (teilweisen)
Entfernens der isolierenden Schicht unter den Elektroden bei der
Herstellung des Bauelements. Die dadurch gebildeten Hohlräume
weisen eine niedrigere Dielektrizitätszahl auf als die
isolierende Schicht, wodurch die Parasitärkapazitäten
reduziert sind. Darüber hinaus wird eine schwächere mechanische
Anbindung der Elektroden an das Substrat erzielt. Dadurch sind die
Elektroden zumindest teilweise gegenüber Substratverbiegungen
entkoppelt, was sich weiter günstig auf die Nullpunktstabilität
des Bauelements auswirkt.
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Abhängig
von der Größe der Aussparungen der beiden Elektroden
kann die Gefahr einer vollständigen Unterätzung
bestehen. Um eine solche Unterätzung zu vermeiden, wird
gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
vorgeschlagen, dass die dritten Aussparungen der dritten Lochstruktur
und die vierten Aussparungen der vierten Lochstruktur jeweils in
Form eines Rasters angeordnet sind, wobei die erste und zweite Elektrode
Bereiche in dem jeweiligen Raster ohne Aussparungen aufweisen. In
diesen Bereichen kann ein Restanteil der isolierenden Schicht verbleiben
und für die Anbindung der leitfähigen Schicht
bzw. der Elektroden zu dem Substrat sorgen.
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Um
trotz dieser Bereiche die elektrische Symmetrie auf beiden Seite
der Wippe zu erhalten, weist der erste Hebelarm vorzugsweise ergänzend zu
den ersten Aussparungen eine Anzahl weiterer Aussparungen auf, wobei
die ersten Aussparungen und die weiteren Aussparungen unterschiedliche
laterale Abmessungen aufweisen. Alternativ kann der zweite Hebelarm
ergänzend zu den zweiten Aussparungen eine Anzahl weiterer
Aussparungen aufweisen, wobei die zweiten Aussparungen und die weiteren
Aussparungen unterschiedliche laterale Abmessungen aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird
des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements
zum Erfassen einer Beschleunigung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst
ein Bereitstellen eines Substrats, ein Ausbilden einer isolierenden
Schicht auf dem Substrat, ein Ausbilden einer strukturierten leitfähigen
Schicht auf der isolierenden Schicht mit einer ersten und einer
zweiten Elektrode, ein Ausbilden einer Opferschicht auf der leitfähigen Schicht
und ein Ausbilden einer strukturierten Funktionsschicht auf der
Opferschicht für eine drehbare Schwungmasse in Form einer
Wippe mit einem ersten und einem zweiten Hebelarm. Der erste Hebelarm
weist eine erste Lochstruktur mit einer Anzahl an ersten Aussparungen
und der zweite Hebelarm eine zweite Lochstruktur mit einer Anzahl
an zweiten Aussparungen auf. Weiter weisen der erste und der zweite
Hebelarm unterschiedliche Massen auf. Das Verfahren umfasst weiter
ein Entfernen der Opferschicht, wobei die Schwungmasse freigelegt
wird und der erste Hebelarm der ersten Elektrode und der zweite
Hebelarm der zweiten Elektrode gegenüberliegt. Das Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass die strukturierte Funktionsschicht
derart ausgebildet wird, dass die Außenabmessungen des
ersten und zweiten Hebelarms übereinstimmen und sich die
erste Lochstruktur des ersten Hebelarms von der zweiten Lochstruktur
des zweiten Hebelarms unterscheidet. Das auf diese Weise hergestellte
Bauelement weist die Vorteile einer hohen Nullpunktstabilität,
eines geringen Platzbedarfs und einer hohen Überlastfestigkeit
auf.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
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1 und 2 ein
herkömmliches mikromechanisches Bauelement in einer schematischen seitlichen
Schnittdarstellung;
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3 das
Bauelement der 1 und 2 in einer
Aufsichtsdarstellung;
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4 eine 3 entsprechende
Darstellung mit zusätzlicher Abbildung von Elektroden des
Bauelements;
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5 ein
weiteres mikromechanisches Bauelement in einer Aufsichtsdarstellung;
-
6 eine 5 entsprechende
Darstellung mit zusätzlicher Abbildung von Elektroden des
Bauelements;
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7 bis 9 die
Herstellung des Bauelements der 5 und 6,
jeweils in einer seitlichen Schnittdarstellung;
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10 eine
seitliche Schnittdarstellung eines weiteren mikromechanischen Bauelements;
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11 das
Bauelement von 10 in einer Aufsichtsdarstellung;
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12 eine 11 entsprechende
Darstellung mit zusätzlicher Abbildung von Elektroden des Bauelements;
und
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13 ein
weiteres mikromechanisches Bauelement in einer seitlichen Schnittdarstellung.
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5 zeigt
eine Aufsichtsdarstellung auf ein mikromechanisches Bauelement 200 gemäß einer Ausführungsform.
Das Bauelement 200 weist eine drehbare Schwungmasse in
Form einer Wippe 250 mit einem ersten Hebelarm 251 und
einem zweiten Hebelarm 252 auf, deren Außenabmessungen
gleich sind. Zwischen den beiden Hebelarmen 251, 252 ist eine
Ausnehmung vorgesehen, in nerhalb derer zwei Torsionsstege 258 angeordnet
sind. Die Torsionsstege 258 geben eine Drehachse vor, um
welche die Wippe 250 drehbar ist. Die Torsionsstege 258 sind weiter
mit einem Stützelement 259 verbunden, über welches
die Wippe 250 mit einer darunterliegenden leitfähigen
Schicht 230 eines Substrats 210 verbunden ist
(9). Die leitfähige Schicht 230 umfasst eine
erste Elektrode 231 und eine zweite Elektrode 232,
deren laterale Lage relativ zu den Hebelarmen 251, 251 anhand
von 6 ersichtlich wird. Hierbei liegen der erste Hebelarm 251 der
ersten Elektrode 231 und der zweite Hebelarm 252 der
zweiten Elektrode 232 gegenüber, und bilden mit
den Elektroden 231, 232 jeweils einen Kondensator.
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Beide
Hebelarme 251, 252 weisen unterschiedliche Lochstrukturen
mit einer Anzahl an durchgehenden Aussparungen 255, 256 auf,
welche jeweils in Form eines zweidimensionalen regelmäßigen
Rasters angeordnet sind. Die Aussparungen 255, 256 weisen
wie in 5 dargestellt beispielsweise einen quadratischen
Umriss auf. Hierbei sind die lateralen Abmessungen der Aussparungen 255 größer
als diejenigen der Aussparungen 256. Der unterschiedliche
Perforationsgrad hat zur Folge, dass die Hebelarme 251, 252 unterschiedliche
Massen aufweisen und daher eine asymmetrische Massenverteilung in
Bezug auf die Torsionsstege 258 vorliegt. Eine einwirkende
Beschleunigung (senkrecht zur Substratebene bzw. zur Wippe 250)
hat daher eine Drehbewegung der Wippe 250 um die durch
die Torsionsstege 258 vorgegebene Drehachse zur Folge.
Auf diese Weise ändern sich die Abstände der Hebelarme 251, 252 zu
den Elektroden 231, 232 und in entsprechender
Weise die zugehörigen Kapazitäten. Die Kapazitätsänderung
ist dabei ein Maß für die Beschleunigung und kann
zum Ermitteln der Beschleunigung herangezogen werden.
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Bei
dem Bauelement 200 besitzen die Hebelarme 251, 252 die
gleichen Außenabmessungen, so dass keiner der Hebelarme 251, 252 gegenüber
dem anderen eine Zusatzmasse in Form eines zusätzlichen
Flächenabschnitts umfasst. Das Bauelement 200 weist
daher auch keine Abschirmelektrode auf. Durch das Weglassen der
Zusatzmasse und der Abschirmelektrode kann eine aufgrund von Oberflächenpotentialen
hervorgerufene Auslenkung der Wippe 250 vermieden werden.
Zur Herstellung elektrisch symmetrischer Verhältnisse auf
beiden Seiten der Wippe 250 sind auch die beiden Elektroden 231, 232 wie
in 6 dargestellt mit unterschiedlichen Lochstrukturen
ausgebildet, welche jeweils eine An zahl an durchgehenden Aussparungen 235, 236 aufweisen.
Die Aussparungen 235, 236, welche jeweils in Form
eines zweidimensionalen regelmäßigen Rasters angeordnet
sind, besitzen beispielsweise einen quadratischen Umriss. Die lateralen
Abmessungen der Aussparungen 236 sind hierbei größer
als diejenigen der Aussparungen 235. Dabei können
die Abmessungen der Aussparungen 235 denjenigen der Aussparungen 256 des
Hebelarms 252 (im wesentlichen) entsprechen. Dies trifft
ebenso auf die Aussparungen 236 und 255 zu.
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Die
elektrische Symmetrie ergibt sich dadurch, dass der Hebelarm 251 mit
den Aussparungen 255 mit den größeren
lateralen Abmessungen (hoher Perforationsgrad) der Elektrode 231 mit
den Aussparungen 235 mit den kleineren lateralen Abmessungen
(niedriger Perforationsgrad) gegenüberliegt, und entsprechend
der Hebelarm 252 mit den Aussparungen 256 mit
den kleineren Abmessungen der Elektrode 232 mit den Aussparungen 236 mit
den größeren Abmessungen gegenüberliegt.
Durch diese Ausgestaltung kann erzielt werden, dass in einem Ausgangszustand
der Wippe 250, in welchem keine Beschleunigung auf das
Bauelement 200 einwirkt und in welchem gleiche Abstände
zwischen der ersten Elektrode 231 und dem ersten Hebelarm 251 und
zwischen der zweiten Elektrode 232 und dem zweiten Hebelarm 252 bestehen,
die elektrischen Kapazitäten zwischen der ersten Elektrode 231 und
dem ersten Hebelarm 252 und zwischen der zweiten Elektrode 232 und
dem zweiten Hebelarm 252 (im wesentlichen) übereinstimmen.
Neben der Symmetrie bezüglich der Kapazitäten
kann durch die erläuterte Anordnung der Lochstrukturen
ferner eine Symmetrie in Bezug auf elektrische Kräfte aufgrund
von Oberflächenladungen hergestellt werden. Die Wippe 250 unterliegt
daher keiner oder lediglich einer vernachlässigbaren Nettokraft,
so dass das Bauelement 200 selbst bei veränderlichen
Oberflächenpotentialen eine hohe Nullpunktstabilität
aufweist.
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Bei
dem Bauelement 200 kann der Einfluss von Oberflächenladungen
auf die Nullpunktstabilität in der Größenordnung
einer verbleibenden elektrischen Restasymmetrie zwischen den beiden
Seiten der Wippe 250 liegen. Eine Restasymmetrie kann beispielsweise
auf unterschiedliche Schichtdicken der Wippe 250 und der
die Elektroden 231, 232 umfassenden leitfähigen
Schicht 230, und damit einhergehende elektrische Streufelder
zurückgeführt werden. Die elektrische Restasymmetrie
kann hierbei beispielsweise in einer Größenordung
von 1 bis 3% liegen, so dass der Einfluss von Oberflächenladungen
gegenüber einem her kömmlichen Bauelement, zum
Beispiel dem Bauelement 100 der 1 bis 4,
um einen Faktor von etwa 30 bis 100 kleiner ist. Ein derartiger
Effekt kann bei gängigen Anwendungen vernachlässigt
werden. Um eine Restasymmetrie zu kompensieren, können
die Perforationen in den Hebelarmen 251, 252 und
Elektroden 231, 232 beispielsweise im Rahmen einer
Feinanpassung aufeinander abgestimmt werden. Möglich ist
auch ein Offsetabgleich einer zur Auswertung des Bauelements 200 eingesetzten
Auswerteeinrichtung nach einem finalen Test des Bauelements 200 nach
dessen Herstellung.
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Das
Ausbilden der Hebelarme 251, 252 ohne eine, eine
zusätzliche „Fläche” einnehmende
Zusatzmasse hat des weiteren zur Folge, dass die Wippe 250 einen
geringeren lateralen Platzbedarf aufweisen kann als eine Wippe eines
herkömmlichen Bauelements, beispielsweise die Wippe 150 mit
der Zusatzmasse 153 des in 3 dargestellten
Bauelements 100. Dadurch ergeben sich ferner geringere Kosten
bei der Herstellung des Bauelements 200. Auch weist das
Bauelement 200 eine höhere Überlastfestigkeit
auf, da eine mit der Zusatzmasse 153 verbundene Verminderung
der Anschlagsbeschleunigung entfällt. Um bei dem Bauelement 200 vergleichbar
hohe Nutzkapazitäten zu erhalten wie bei dem Bauelement 100,
kann die Flächenersparnis jedoch nicht der gesamten Fläche
der Zusatzmasse 153 entsprechen. Dies ist auf die Perforationen
in den Hebelarmen 251, 252 und den Elektroden 231, 232 und
eine damit verbundene Kapazitätsverringerung zurückzuführen,
so dass zum Erreichen gleicher Nutzkapazitäten ein Teil
der „Flächenersparnis” auf die Hebelarme 251, 252 und
die Elektroden 231, 232 zu verteilen ist.
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Weitere
Vorteile des Bauelements 200 werden im folgenden anhand
eines möglichen Herstellungsverfahrens erläutert,
welches in den seitlichen Schnittdarstellungen der 7 bis 9 dargestellt ist.
Bei der Herstellung können in der Halbleitertechnik bzw.
Oberflächenmikromechanik übliche Prozesse und
Materialien zum Einsatz kommen. Zu Beginn wird ein Halbleitersubstrat 210 bereitgestellt,
bei dem es sich beispielsweise um einen Silizium aufweisenden Wafer
handeln kann. Auf das Substrat 210 wird wie in 7 dargestellt
eine isolierende Schicht 220, und auf die isolierende Schicht 220 eine
leitfähige Schicht 230 aufgebracht. Bei der isolierenden Schicht 220 kann
es sich beispielsweise um eine Siliziumoxidschicht handeln, welche
die leitfähige Schicht 230 gegenüber
dem Substrat 210 isoliert. Bei der leitfähigen
Schicht 230 kann es sich beispielsweise um eine (dotierte)
Polysiliziumschicht handeln. Die leitfähige Schicht 230 wird
ferner wie in 7 dargestellt einer Strukturierung
unterzogen, um voneinander getrennte Leiterbahnabschnitte und die
beiden strukturierten Elektroden 231, 232 auszubilden. Die
beiden Elektroden 231, 232 weisen hierbei die
in 6 dargestellten Lochstrukturen mit den Aussparungen 235, 236 auf.
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Im
Anschluss hieran werden wie in 8 dargestellt
eine Opferschicht 240 auf die leitfähige Schicht 230 und
die isolierende Schicht 220, und eine Funktionsschicht 250 auf
die Opferschicht 240 aufgebracht. Bei der Opferschicht 240 kann
es sich zum Beispiel um eine Siliziumoxidschicht handeln. Die Funktionsschicht 250 ist
beispielsweise eine sogenannte Epi-Polysiliziumschicht, d. h. eine
in einem Epitaxieverfahren erzeugte polykristalline Siliziumschicht,
welche optional dotiert ausgebildet sein kann. Vor dem Aufbringen
der Funktionsschicht 250 wird in einem Bereich der Opferschicht 240 ein
Loch ausgebildet, welches die leitfähige Schicht 230 in
einem Abschnitt zwischen den Elektroden 231, 232 freilegt,
und welches durch die Funktionsschicht 250 ausgefüllt
wird, um ein mit der leitfähigen Schicht 230 verbundenes
Stützelement 259 auszubilden. Die Funktionsschicht 250 wird
ferner strukturiert, um die seismische Masse in Form der Wippe mit
den Hebelarmen 251, 252 und den Torsionsstegen 258 bereitzustellen.
Die beiden Hebelarme 251, 252 werden hierbei mit
den in 5 dargestellten Lochstrukturen mit den Aussparungen 255, 256 versehen.
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Nachfolgend
wird die Wippe 250 wie in 9 dargestellt
freigelegt. Zu diesem Zweck wird ein Ätzmedium 290 oder Ätzgas,
beispielsweise Flusssäuredampf durch die Lochstruktur der
Funktionsschicht 250 an die Opferschicht 240 herangeführt
(in 9 durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet), wodurch die
Opferschicht 240 entfernt wird. Das Ätzmedium 290 kann
hierbei weiter über die Aussparungen 235, 236 der
Elektroden 231, 232 die darunter angeordnete isolierende
Schicht 220 erreichen und diese zu einem Teil lokal entfernen,
so dass die Schicht 220 nach dem Ätzvorgang ebenfalls
eine Perforation mit einer Anzahl an Aussparungen bzw. Hohlräumen aufweist.
Durch die Perforation der isolierenden Schicht 220 weist
ein im Mittel zwischen den Elektroden 231, 232 und
dem Substrat 210 vorliegendes Dielektrikum eine geringere
Dielektrizitätszahl auf. Die isolierende Schicht 220,
welche im Falle von Siliziumoxid eine Dielektrizitätszahl
von etwa 4 aufweist, ist hierbei stellenweise durch die Hohlräume
mit einer Dielektrizitätszahl von beispielsweise etwa 1
ersetzt. Die Verringerung der Dielektri zitätszahl hat eine
Verringerung von parasitären Kapazitäten zwischen
den Elektroden 231, 232 und dem Substrat 210 zur
Folge, was eine genaue Auswertung des Bauelements 200 begünstigt.
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Ein
weiterer Effekt der Durchlöcherung der isolierenden Schicht 220 ist
eine schwächere mechanische Anbindung der leitfähigen
Schicht 230 bzw. der Elektroden 231, 232 an
das Substrat 210. Auf diese Weise ist das Bauelement 200 zumindest
teilweise gegenüber Substratverbiegungen entkoppelt, was
sich weiter günstig auf die Nullpunktstabilität auswirkt.
Durch die mechanische Entkopplung ist das Bauelement 200 insbesondere
gegenüber mechanischen Belastungen und Stresseinträgen
unempfindlicher, welche in stressbehafteten Packages wie zum Beispiel
Moldverpackungen auftreten können.
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Im
Anschluss an die beschriebenen Verfahrensschritte können
weitere Schritte zum Fertigstellen des in 9 dargestellten
mikromechanischen Bauelements 200 erfolgen. Hierunter fällt
beispielsweise ein Rückdünnen des Substrats 210,
ein Vereinzelungsprozess, und eine Verkapselung des Bauelements 200,
um im Bereich der Wippe 250 beispielsweise ein Vakuum oder
eine vorgegebene Druckatmosphäre einzustellen. Des Weiteren
kann eine Verstärkungs- bzw. Auswerteeinrichtung bereitgestellt werden,
welche die Elektroden 231, 232 und die Wippe 250 zum
Anlegen entsprechender elektrischer Potentiale kontaktieren kann,
um das oben beschriebene kapazitive Erfassen einer Beschleunigung
durchzuführen (nicht dargestellt). Die Auswerteeinrichtung kann
beispielsweise auf einem weiteren Substrat in Form einer anwendungsspezifischen
integrierten Schaltung (ASIC, Application Specific Integrated Circuit)
ausgeführt sein und mit dem Substrat 210 verbunden
sein.
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Abhängig
von der Größe der Aussparungen 235, 236 in
den Elektroden 231, 232 und dem eingesetzten Ätzmedium
kann das Problem bestehen, dass die isolierende Schicht 220 bei
dem oben beschriebene Ätzschritt zu einem Großteil
oder vollständig unter den Elektroden 231, 232 entfernt
wird und dadurch die mechanische Stabilität der leitfähigen
Schicht 230 beeinträchtigt wird. Eine solche Unterätzung
der leitfähigen Schicht 230 kann bei den anhand
der folgenden Figuren dargestellten Ausführungsformen vermieden
werden.
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Die 10 bis 12 zeigen
ein mikromechanisches Bauelement 201 in Schnitt- und Aufsichtsdarstellungen
gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Das Bauelement 201 stimmt hinsichtlich des Aufbaus und
der Funktionsweise im Wesentlichen mit dem Bauelement 200 von 9 überein und
kann ebenso durch Durchführen der oben beschriebenen Verfahrensschritte
hergestellt werden. Das Bauelement 201 weist eine leitfähige
Schicht 230 mit zwei Elektroden 261, 262 und
eine darüber angeordnete seismische Masse 250 mit
zwei Hebelarmen 271, 272 auf. Die beiden Elektroden 261, 262 sind
wiederum mit Aussparungen 235, 236 unterschiedlicher
Größe versehen, welche jeweils in Form eines regelmäßigen
Rasters angeordnet sind. Im Unterschied zu dem Bauelement 200 sind
bei den Elektroden 261, 262 des Bauelements 201 von
Aussparungen 235, 236 umgebende Bereiche 260 in
dem jeweiligen Raster ohne Aussparungen vorgesehen. Auf diese Weise
kann das vorteilhafte Entfernen der isolierenden Schicht 220 durch
Einsatz eines Ätzmediums ohne die Gefahr einer vollständigen
Unterätzung der Elektroden 261, 262 erfolgen.
Die isolierende Schicht 220 verbleibt hierbei wie in 10 dargestellt
bei den Bereichen 260 (und im Bereich des Stützelements 259)
unterhalb der leitfähigen Schicht 230 und sorgt
für die Anbindung der Schicht 230 bzw. der Elektroden 261, 262 an
das Substrat 210.
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Die
Ausbildung der Bereiche 260 in den Elektroden 261, 262 kann
jedoch zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Symmetrie
auf beiden Seiten der Wippe 250 führen. Um dies
zu kompensieren, ist bei dem Hebelarm 272, welcher Aussparungen 256 mit
kleinen Abmessungen aufweist, oberhalb der Bereiche 260 eine
Anzahl weiterer Aussparungen 270 vorgesehen, welche größere
laterale Abmessungen aufweisen als die Aussparungen 256. Die
Aussparungen 270 können hierbei die gleichen lateralen
Abmessungen aufweisen wie die „großen” Aussparungen 255 des
Hebelarms 271.
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13 zeigt
ein mikromechanisches Bauelement 202 in einer seitlichen
Schnittdarstellung gemäß einer alternativen Ausführungsform.
Das Bauelement 202 entspricht im Wesentlichen dem Bauelement 201 von 10 und
umfasst zwei Elektroden 261, 262 mit Aussparungen 235, 236 und
Bereichen 260 ohne Aussparungen, und eine Schwungmasse 250 mit
zwei Hebelarmen 281, 282. Abweichend von dem Bauelement 201 sind
in dem Hebelarm 281, welcher die Aussparungen 255 mit
den großen Abmessungen aufweist, oberhalb der Bereiche 260 eine Anzahl
zusätzlicher Aussparungen 280 mit kleineren Abmessungen vorgesehen.
Die Aussparungen 280 können hierbei die gleichen
lateralen Abmessungen aufweisen wie die „kleinen” Aussparungen 256 des Hebelarms 282.
Auch auf diese Weise lässt sich eine elektrische Symmetrie
auf beiden Seiten der Wippe 250 erzielen.
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Die
anhand der Figuren erläuterten Bauelemente 200, 201, 202 und
das beschriebene Herstellungsverfahren stellen Ausführungsformen
der Erfindung dar. Darüber hinaus lassen sich weitere Ausführungsformen
verwirklichen, welche weitere Abwandlungen der Erfindung umfassen.
Insbesondere können anstatt der angegebenen Materialien
andere Materialien zum Einsatz kommen. Anstelle die Aussparungen
der Hebelarme und Elektroden mit einem quadratischen Umriss auszubilden,
können die Aussparungen alternativ mit einer anderen Form,
beispielsweise mit einem kreisförmigen Umriss ausgebildet
werden. Des weiteren können die Aussparungen in den Hebelarmen
und Elektroden in einer anderen Anordnung als einem zweidimensionalen
Raster vorgesehen sein. Ein Unterschied in den Lochstrukturen der
Hebelarme und Elektroden kann anstelle von unterschiedlichen Abmessungen
der Aussparungen auf andere Weise erzielt werden, beispielsweise durch
unterschiedliche Anzahlen von Aussparungen. Hierbei können
die Aussparungen der Hebelarme beispielsweise eine einheitliche
Größe aufweisen. Dies trifft auch auf die Aussparungen
der Elektroden zu. Bei all diesen möglichen Abwandlungen
können die Aussparungen bzw. deren Anordnung zueinander wiederum
derart aufeinander abgestimmt sein, dass eine Wippe mit einer asymmetrischen
Massenverteilung bei gleichen Abmessungen der Hebelarme bereitgestellt
wird, und eine elektrische Symmetrie auf beiden Seiten der Wippe
erzielt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0244581
A1 [0002]
- - EP 0773443 B1 [0002]