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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine derartige Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Um eine auf einen beweglichen Körper wirkende Drehbeschleunigung und/oder Linearbeschleunigung festzustellen, wird häufig ein Inertialsensor an dem beweglichen Körper angebracht.
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1A und 1B zeigen einen Querschnitt und eine Draufsicht zum Darstellen eines herkömmlichen Inertialsensors.
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Der schematisch dargestellte Inertialsensor ist als Beschleunigungssensor 10 dazu ausgebildet, eine in eine Richtung 12 senkrecht zu einem Substrat 14 ausgerichtete lineare Beschleunigung des Beschleunigungssensors 10 festzustellen und eine der Beschleunigung entsprechende Größe festzulegen. Das Substrat 14 bildet zusammen mit einem Rahmenteil 16 und einem Kappenwafer 18 ein Gehäuse des Beschleunigungssensors 10, welches ein Innenvolumen 20 umgibt. Der Kappenwafer 18 ist über eine Sealglas-Schicht 22 an dem Rahmenteil 16 befestigt. Zwischen dem Substrat 14 und dem Rahmenteil 16 sind Restbereiche einer Isolierschicht 24 und einer Metall- und/oder Halbleiterschicht 26 angeordnet.
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In dem Innenvolumen 20 ist eine seismische Masse 28 des Beschleunigungssensors 10 angeordnet. In 1B ist eine Draufsicht auf eine Unterseite 30 der seismischen Masse 28 dargestellt. Die über vier Biegefedern 32 mit einer Verankerung 34 verbundene seismische Masse 28 ist als antisymmetrische Wippe ausgebildet, welche im Bezug auf das Gehäuse des Bescheunigungssensors 10 um eine Drehachse 36 drehbar ist. Die seismische Masse 28 weist eine in Bezug auf die Drehachse 36 antisymmetrische Masseverteilung auf. Die Biegesteifigkeit der Biegefedern 32 ist so festgelegt, dass die lineare Beschleunigung des Bescheunigungssensors 10 in Richtung 12 eine Bewegung der seismischen Masse 28 aus ihrer Ausgangsstellung um die Drehachse 36 in Bezug auf das Gehäuse des Beschleunigungssensors 10 bewirkt.
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Um die Bewegung der seismischen Masse 28 aus ihrer Ausgangsstellung um die Drehachse 36 zu ermitteln, weist der Beschleunigungssensor 10 Detektionselektroden 38a und 38b auf, welche benachbart zu der Unterseite 30 fest gegenüber dem Gehäuse aus den Komponenten 14 bis 18 angeordnet sind. Die Detektionselektroden 38a und 38b sind über Teilbereiche der Isolierschicht 24 von dem Substrat 14 elektrisch isoliert.
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Erfährt der Beschleunigungssensor 10 eine Beschleunigung in Richtung 12, so verändern sich aufgrund der antisymmetrischen Masseverteilung der seismischen Masse 28 in Bezug auf die Drehachse 36 die mittleren Abstände d1 und d2 zwischen der Unterseite 30 und den Detektionselektroden 38a und 38b. Die Kapazitäten eines aus der Detektionselektrode 38a und einer Teilfläche der Unterseite 30 gebildeten ersten Kondensators und eines aus der zweiten Detektionselektrode 38b und einer weiteren Teilfläche der Unterseite 30 gebildeten zweiten Kondensators ändern sich entsprechend der Veränderungen der mittleren Abstände d1 und d2. Über ein Auswerten der Kapazitäten der Kondensatoren lässt sich somit eine Größe der Beschleunigung in Richtung 12 festlegen. Da Verfahren zum Auswerten der Kapazitäten der Kondensatoren des Beschleunigungssensors 10 aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
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Um ein verlässliches Ermitteln einer Stellung der seismischen Masse 28 in Bezug auf das Gehäuse des Beschleunigungssensors 10 zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, die mittleren Abstände d1 und d2 möglichst klein zu halten. Dies führt jedoch zu dem Risiko, dass Bereiche der seismischen Massen 28 bei einer signifikanten Beschleunigung in Richtung 12 an das Gehäuse des Beschleunigungssensors 10 anschlagen. Um einen großflächigen Kontakt zwischen der seismischen Masse 28 und dem Gehäuse des Beschleunigungssensors 10 bei einem Anschlagen der seismischen Masse 28 zu verhindern, sind hervorstehende Anschläge 40 an der Unterseite 30 ausgebildet. Zusätzlich sind an dem Substrat 14 Anschlagelektroden 42a und 42b befestigt, welche über Restbereiche der Isolierschicht 24 von dem Substrat 14 elektrisch isoliert sind. Der Kontakt zwischen der seismischen Masse 28 und dem Gehäuse des Beschleunigungssensors 10 ist damit auf einen Kontakt zwischen einem Anschlag 40a oder 40b und einer Anschlagelektrode 42a oder 42b beschränkt.
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Allerdings besteht die Möglichkeit, dass aufgrund von einer mechanischen Überlast der Anschlag 40a oder 40b so stark an eine Anschlagelektrode 42a oder 42b anschlägt, dass der Anschlag 40a oder 40b an der Anschlagelektrode 42a oder 42b hängen bleibt. Man bezeichnet dies als Stiction des Anschlags 40a oder 40b an der Anschlagelektrode 42a oder 42b. Des Weiteren kann bei einer starken Überlast zumindest ein Teilbereich des Anschlags 40a oder 40b von der seismischen Masse 28 abbrechen, was häufig als Partikelbildung bei einem Anschlagen des Anschlags 40a oder 40b an der Anschlagelektrode 42a oder 42b bezeichnet wird. Es ist erwünschenswert, über eine Möglichkeit zu verfügen, mittels welcher eine Stiction und/oder eine Partikelbildung bei einer gattungsgemäßen Sensorvorrichtung verhinderbar sind.
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Des Weiteren beschreiben die
DE 699 28 061 T2 und die
DE 10 2008 043 753 A1 jeweils eine Sensorvorrichtung mit je einer seismischen Masse, welche einen federnden Bereich mit einem Anschlag aufweist, wobei der federnde Bereich über mindestens eine Feder mit einem Restbereich der seismischen Masse verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass über die federnde Ausbildung des mindestens einen hervorstehenden Anschlags in Bezug auf den verstellbaren Restbereich der seismischen Masse die beim Anschlagen des mindestens einen Anschlags freigesetzte kinetische Energie in Biegeenergie für ein reversibles Biegen der mindestens einen Feder umsetzbar ist. Auf diese Weise lässt sich die im Überlastfall freigesetzte kinetische Energie soweit reduzieren, dass eine Stiction der seismischen Masse und/oder eine Partikelbildung verhindert werden. Weil an einer an der Oberseite oder der Unterseite der seismischen Masse angeordneten Außenfläche des federnden Bereichs mindestens zwei hervorstehende Anschläge angeordnet sind, können außerdem mittels der mindestens einen Feder mehrere Anschläge federnd ausgebildet werden.
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Eine geeignete federnde Ausbildung des mindestens einen Anschlags ist gewährleistet, wenn der federnde Bereich mit dem mindestens einen Anschlag über die mindestens eine Feder mit dem Restbereich verbunden ist. Beispielsweise ist der einen Anschlag als federnder Bereich ausgebildet.
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Unter der mindestens einen Feder, welche den federnden Bereich mit dem Restbereich verbindet, ist keine Biegefeder, über welche die seismische Masse mit zumindest der Grundplatte verbunden ist, zu verstehen. Während die mindestens eine Biegefeder bei einer Verstellbewegung der seismischen Masse verformt wird, wird die mindestens eine Feder mit dem Restbereich und dem federnden Bereich entsprechend der Verstellbewegung der seismischen Masse mitbewegt, ohne eine Verformung zu erfahren, sofern der Anschlag nicht an die Grundplatte oder eine Untereinheit des Gehäuses anstößt.
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Unter der seismischen Masse mit der Oberseite und der Unterseite ist eine seismische Masse zu verstehen, bei welcher eine Höhe zwischen der Oberseite und der Unterseite deutlich kleiner als eine maximale Ausdehnung der Oberseite und der Unterseite ist. Die seismische Masse lässt sich auch als flächig ausgebildete seismische Masse bezeichnen. Die Form der seismischen Masse entspricht beispielsweise einer Scheibe oder einem flachen Quader.
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Der mindestens eine federnde Bereich und der mindestens eine verstellbare Restbereich sind so an oder auf der Grundplatte angeordnet, dass sie bei dem Beschleunigen der Grundplatte in die zu der Oberseite und/oder der Unterseite nicht-parallel ausgerichtete Richtung verstellbar sind. Allerdings muss die Verstellbewegung des mindestens einen federnden Bereichs mit dem mindestens einen Anschlag nicht der Verstellbewegung des mindestens einen verstellbaren Restbereichs entsprechen.
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Die auf die Grundplatte wirkende Beschleunigung kann eine Linearbeschleunigung und/oder eine Drehbeschleunigung sein. Die Beschleunigung kann auch ein Drehmoment sein, durch welches ein Körper in einer gleichmäßigen Drehbewegung gehalten wird. Die Grundplatte kann linear und/oder radial beschleunigt werden. Unter der Ausgangsstellung der Oberseite und/oder der Unterseite der seismischen Masse kann eine Ruhestellung und/oder eine Stellung einer Relativbewegung, in welche die seismische Masse in Bezug auf die Grundplatte versetzt wird, beispielsweise zum Ermitteln einer Corioliskraft, verstanden werden.
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Die Information bezüglich der Beschleunigung, welche über die vorliegende Erfindung festlegbar ist, kann beispielsweise ein Betrag einer Linearbeschleunigung, eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine Drehrate sein. Als Information bezüglich der Beschleunigung kann auch eine Zentrifugalkraft oder eine Zentripetalkraft festgelegt werden.
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Die Erfindung umfasst auch die Implementierung von federnden Anschlägen in eine seismische Masse eines Inertialsensors, welcher für ein Detektieren einer Verstellbewegung der seismischen Masse senkrecht zu seiner Substratebene ausgelegt ist. Dabei werden die Anschläge über eine Federstruktur an den mindestens einen verstellbaren Restbereich der seismischen Masse angebunden. Die Federstruktur kann die Energie bei der Überlast aufnehmen und anschließend wieder abgeben, wodurch eine Stiction oder eine Partikelbildung verhindert wird. Dies ist insbesondere bei einer Sensorvorrichtung, bei welcher die seismische Masse über mindestens eine vergleichsweise weiche Biegefeder mit der Grundplatte verbunden ist, wie beispielsweise bei einem Nieder-g-Sensor, vorteilhaft.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die seismische Masse in Bezug auf die Grundplatte um eine Drehachse drehbar. Die vorliegende Erfindung ist somit auch auf eine Sensorvorrichtung anwendbar, bei welcher die seismische Masse durch eine Beschleunigung der Grundplatte oder durch eine auf die Grundplatte wirkende Kraft um die Drehachse gedreht wird. Als Alternative dazu kann die seismische Masse auch so an oder auf der Grundplatte angeordnet sein, dass die seismische Masse im Bezug auf die Grundplatte in eine Linearbewegung versetzbar ist. Vorzugsweise ist die Linearbewegung der seismischen Masse senkrecht zu einem als Grundplatte ausgerichteten Substrat, welches eine Untereinheit eines Gehäuses sein kann, gerichtet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die seismische Masse als Wippe mit einer in Bezug auf die Drehachse antisymmetrischen Masseverteilung ausgebildet. Eine derartige seismische Masse ist gut dazu geeignet, im Zusammenwirken mit der Detektions- und Auswerteeinrichtung Linearbeschleunigungen zu ermitteln.
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Insbesondere kann die mindestens eine Feder, über welche der mindestens eine Anschlag mit der seismischen Masse verbunden ist, U-förmig, V-förmig, linienförmig und/oder mäanderförmig ausgebildet sein. Eine U-förmig, V-förmig und/oder mäanderförmig Feder kann bei einem vergleichsweise geringen Durchmesser des von der Feder eingenommenen Volumens eine relativ große Länge aufweisen. Auf diese Weise kann eine kinetische Energie, welche beim Anstoßen des mindestens einen Anschlags in Biegeenergie umgewandelt wird, über eine vergleichsweise große Gesamtlänge der Feder verteilt werden. Somit kann ein Verbiegen oder Brechen der Feder verlässlich verhindert werden. Des Weiteren ist eine linienförmige Feder leicht herstellbar.
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Vorteilhafterweise kann die Sensorvorrichtung ein Beschleunigungssensor sein. Insbesondere ist bei einem Nieder-g-Sensor durch die vorliegende Erfindung gewährleistet, dass aufgrund des reduzierten Risikos einer Stiction die seismische Masse über mindestens eine Biegefeder mit einer Vergleichsweise geringen Rückstellkraft mit der Grundplatte oder einer Untereinheit des Gehäuses verbindbar ist.
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Als Alternative dazu kann die Sensorvorrichtung ein Drehratensensor sein. Da die mindestens eine Biegefeder eines Drehratensensors gewährleisten muss, dass die seismische Masse sowohl in eine Relativbewegung als auch in eine zusätzliche Verstellbewegung verstellbar ist, ist es vorteilhaft, wenn die Biegefeder eine geringe Rückstellkraft aufweist.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung gewährleistet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Herstellungsverfahren die zusätzlichen Schritte umfassen: Bilden einer Schichtenfolge aus einem Substrat, einer das Substrat zumindest teilweise abdeckenden Isolierschicht, einer die Isolierschicht zumindest teilweise abdeckenden Halbleiter- und/oder Metallschicht und einer die Halbleiter- und/oder Metallschicht zumindest teilweise abdeckenden mikromechanischen Funktionsschicht, Herausstrukturieren mindestens einer Elektrode als Untereinheit der Detektions- und Auswerteeinrichtung aus der Halbleiter- und/oder Metallschicht, und Herausstrukturieren zumindest der seismischen Masse, des mindestens einen Anschlags und der mindestens einen Feder aus der mikromechanischen Funktionsschicht. Die Sensorvorrichtung kann somit auf einfache Weise über vergleichsweise wenige Arbeitsschritte hergestellt werden. Insbesondere können die Federn gleichzeitig mit den Biegefedern hergestellt werden. Die federnde Ausbildung der Anschläge ist somit nicht mit zusätzlichen Arbeitsschritten verbunden.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1A und 1B einen Querschnitt und eine Draufsicht zum Darstellen eines herkömmlichen Inertialsensors;
- 2 eine Draufsicht auf eine Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen einer Sensorvorrichtung, welche nicht unter die vorliegende Erfindung fällt;
- 3 eine Draufsicht auf eine Teiloberfläche einer Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen einer Sensorvorrichtung, welche ebenfalls nicht unter die vorliegende Erfindung fällt;
- 4 eine Draufsicht auf eine Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung; und
- 5 ein Flussdiagramm zum Darstellen eines Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung, welches nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen einer Sensorvorrichtung, welche nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
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Die als Wippe ausgebildete seismische Masse 50 ist über die Biegefedern 52 und eine Verankerung 54 an einer Grundplatte der Sensorvorrichtung befestigt. Die Grundplatte kann eine Untereinheit eines Gehäuses der Sensorvorrichtung sein. Die hier beschriebene Erfindung ist jedoch nicht auf eine in einem luftdichten Gehäuse angeordnete seismische Masse 50 beschränkt.
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Die Biegefedern 52 und die Verankerung 54 können einstückig mit der seismischen Masse 50 ausgebildet sein. Beispielsweise werden zumindest die vier Biegefedern 52, die Verankerung 54 und die seismische Masse 50 aus einer einzigen mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Sensorvorrichtung nicht auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung der Biegefedern 52 und/oder der mindestens einen Verankerung 54 beschränkt ist.
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Zwischen der Verankerung 54 und der Grundplatte kann noch mindestens eine Zwischenschicht, beispielsweise Restbereiche einer Isolierschicht und/oder einer Metall- und/oder Halbleiterschicht, angeordnet sein. Die seismische Masse 50 weist eine zu der Grundplatte ausgerichtete Unterseite 58 und eine (nicht skizzierte) Oberseite auf. Die seismische Masse 50 ist so geformt, dass eine Höhe zwischen der Oberseite und der Unterseite 58 deutlich kleiner als eine maximale Ausdehnung der Oberseite und/oder der Unterseite 58 ist. Man kann dies auch als flächige Ausbildung der seismischen Masse 50 umschreiben.
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Die als Wippe ausgebildete seismische Masse 50 weist in Bezug auf eine Drehachse 56 eine antisymmetrische Masseverteilung auf. Die Drehachse 56 unterteilt die seismische Masse 50 in eine erste Teilmasse 50a und eine zweite Teilmasse 50b, welche schwerer als die erste Teilmasse 50a ist. Beispielsweise weist die erste Teilmasse 50a eine erste mittlere Breite b1 senkrecht zu der Drehachse 56 auf, welche kleiner als eine senkrecht zu der Drehachse 56 ausgerichtete zweite mittlere Breite b2 der zweiten Teilmasse 50b ist. Als Alternative oder als Ergänzung dazu ist die antisymmetrische Masseverteilung der seismischen Masse 50 auch mittels einer zusätzlichen Beschichtung der zweiten Teilmasse 50b im Vergleich zu der ersten Teilmasse 50a realisierbar.
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In einer Ausgangsstellung der seismischen Masse 50 ist die Unterseite 58 vorzugsweise parallel zu der Grundplatte ausgerichtet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die seismische Masse 50 in ihrer Ausgangsstellung parallel zur xy-Ebene angeordnet. Erfährt die Grundplatte eine Beschleunigung mit einer Komponente senkrecht zu der Grundplatte, so wird die seismische Masse 50 aufgrund ihrer antisymmetrischen Masseverteilung in eine senkrecht zu der Ausgangsstellung der Unterseite 58 und zu der Grundplatte ausgerichtete Richtung verstellt. Insbesondere wird bei der hier dargestellten Ausführungsform die seismische Masse 50 um eine Drehachse 56 gekippt. Das Verkippen der seismischen Masse 50 um die Drehachse 56 erfolgt unter einem Biegen der Biegefedern 52.
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Eine erste Teilfläche der ersten Teilmasse 50a und eine zweite Teilfläche der zweiten Teilmasse 50b, welche auf der Unterseite 58 liegen, dienen als Elektroden der seismischen Masse 50. Benachbart zu der ersten Teilfläche ist eine erste Detektionselektrode 60a fest in Bezug auf die Grundplatte angeordnet. Eine zweite Detektionselektrode 60b ist benachbart zu der zweiten Teilfläche der zweiten Teilmasse 50b an der Grundplatte befestigt. Die gestrichelten Linien geben in 2 die Positionen der beiden Detektionselektroden 60a und 60b wieder. Die beiden Detektionselektroden 60a und 60b werden in ihrer Stellung in Bezug auf die Grundplatte durch ein Verkippen der seismischen Masse 50 um die Drehachse 56 nicht beeinflusst.
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Die erste Teilfläche und die erste Detektionselektrode 60a bilden einen ersten Kondensator einer Detektions- und Auswerteeinrichtung der Sensorvorrichtung. Ein zweiter Kondensator der Detektions- und Auswerteeinrichtung setzt sich aus der zweiten Teilfläche und der zweiten Detektionselektrode 60b zusammen. Wird die seismische Masse 50 aufgrund eines Beschleunigens der Grundplatte aus ihrer Ausgangsstellung um die Drehachse 56 verstellt, so ändern sich die Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators. Die Detektions- und Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, die Kapazitätsänderungen an den beiden Kondensatoren zu ermitteln und anschließend unter Berücksichtung der Kapazitätsänderungen eine Information bezüglich der Beschleunigung der Grundplatte und/oder einer auf die Sensorvorrichtung wirkenden Kraft festzulegen. Die festgelegte Information kann beispielsweise ein Betrag einer senkrecht zu der Grundplatte ausgerichteten Komponente der Beschleunigung sein. Da Verfahren zum Festlegen einer Information bezüglich einer Beschleunigung und/oder einer auf eine Sensorvorrichtung wirkenden Kraft anhand einer Kapazitätsänderung bekannt sind, wird nicht weiter auf die Funktionsweise der Detektions- und Auswerteeinrichtung eingegangen.
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Um ein verlässliches Ermitteln der Verstellbewegung der seismischen Masse 50 in Bezug auf die Grundplatte zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Ausgangsstellung der seismischen Masse 50 so festgelegt ist, dass die erste Teilfläche einen relativ kleinen ersten mittleren Abstand zu der ersten Detektionselektrode 60a aufweist und die zweite Teilfläche einen ebenso kleinen zweiten mittleren Abstand zu der zweiten Detektionselektrode 60b aufweist. Gleichzeitig ist es von Vorteil, wenn die einem Verkippen der seismischen Masse 50 aus ihrer Ausgangsstellung entgegenwirkenden Rückstellkräfte der Biegefedern 52 vergleichsweise klein sind, um somit auch bei einem geringen Betrag der Beschleunigung eine signifikante Verstellbewegung der seismischen Masse um die Drehachse 56 zu gewährleisten.
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Insbesondere bei kleinen mittleren Abständen zwischen den Teilflächen und den Detektionselektroden 60a und 60b und/oder bei einer geringen Biegesteifigkeit der Biegefedern 52 besteht die Möglichkeit, dass die seismische Masse bei einem Verkippen um die Drehachse 56 an die Grundplatte oder einer in Bezug auf die Grundplatte fest angeordneten Komponente der Sensorvorrichtung anstoßen kann. Um eine Kontaktfläche der seismischen Masse 50 und einer Anstoßfläche bei dem Anstoßen zu minimieren, ist es vorteilhaft, mindestens einen an der Unterseite 58 hervorstehenden Anschlag 62a und 62b auszubilden. Vorteilhafterweise sind mindestens ein erster Anschlag 62a an der ersten Teilmasse 50a und mindestens ein zweiter Anschlag 62b an der zweiten Teilmasse 50b angeordnet. Insbesondere können mehrere Anschläge 62a und 62b an mindestens einer Teilmasse 50a oder 50b befestigt sein. Es ist vorteilhaft, bei mindestens drei Anschlägen 62a oder 62b an einer Teilmasse 50a oder 50b die Abstände zwischen zwei benachbarten Anschlägen 62a oder 62b gleich zu wählen. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Druckverteilung bei einem Anstoßen der Anschläge 62a oder 62b an der Grundplatte und/oder an der fest angeordneten Komponente der Sensorvorrichtung gewährleistet. Insbesondere können die Anschläge 62a oder 62b einer Teilmasse 50a oder 50b einen gemeinsamen Abstand von der Drehachse 56 aufweisen. Vorteilhafterweise stehen die auf der Unterseite 58 angeordneten Anschläge 62a und 62b in z-Richtung hervor.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind eine erste Anschlagelektrode 64a und eine zweite Anschlagelektrode 64b direkt oder indirekt an der Grundplatte angeordnet. In 2 gegeben die gestrichelten Linien die Positionen der beiden Anschlagelektroden 64a und 64b wieder. Die Positionen der Anschlagelektroden 64a und 64b sind so gewählt, dass bei einem Verkippen der seismischen Masse 50 um die Drehachse 56 der mindestens eine erste Anschlag 62a an die erste Anschlagelektrode 64a und der mindestens eine zweite Anschlag 62b an die zweite Anschlagelektrode 64b anschlagen kann. Die Anschlagelektroden 64a und 64b können gemeinsam mit den Detektionselektroden 60a und 60b aus einer einzigen Halbleiter- und/oder Metallschicht herausstrukturiert werden.
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Beim Anstoßen eines Anschlags 62a oder 62b an eine Anschlagelektrode 64a oder 64b wird eine kinetische Energie in Verformungsenergie umgewandelt. Um eine Stiction des Anschlags 62a oder 62b an der zugehörigen Anschlagelektrode 64a oder 64b und/oder eine Partikelbildung zu verhindern, ist es vorteilhaft, den mindestens einen Anschlag 62a oder 62b der seismischen Masse 50 über mindestens eine Feder 66 mit der seismischen Masse 50 zu verbinden. Man kann dies als federnde Ausbildung der in z-Richtung an der Unterseite 58 hervorstehenden Anschläge 62a und 62b bezeichnen. Durch die federnde Ausbildung der Anschläge 62a und 62b ist gewährleistet, dass ein Anstoßen eines Anschlags 62a oder 62b nicht zu einer Beschädigung der Sensorvorrichtung führt.
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Beispielsweise ist jeder der Anschläge 62a und 62b einzeln über eine Feder 66 mit der seismischen Masse 50 verbunden. Die in Verformungsenergie umgewandelte kinetische Energie bewirkt in diesem Fall ein reversibles Biegen der mindestens einen Feder 66, über welche der mindestens eine anstoßende Anschlag 62a oder 62b mit der seismischen Masse 50 verbunden ist. Geht die seismische Masse 50 in ihre Ausgangsstellung über, so wird auch die reversible Biegung der Feder 66 aufgehoben.
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Die mindestens eine Feder 66 und der mindestens eine Anschlag 62a oder 62b können ebenfalls aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert werden. Auf eine mögliche Ausführungsform eines geeigneten Herstellungsverfahrens für die hier beschriebene Sensorvorrichtung wird unten noch eingegangen. Die mindestens eine Feder 66 kann eine lineare Form haben. Eine derartige Feder 66 lässt sich leicht formen.
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Vorzugsweise kann eine Feder 66 eine Gesamtlänge L aufweisen, welche größer als eine maximale Ausdehnung D des in Bezug auf die Unterseite 58 hervorstehenden Bereichs des zugehörigen Anschlags 62a oder 62b ist. Insbesondere kann die Gesamtlänge L um einen Faktor von mindestens zwei größer als die maximale Ausdehnung D des hervorstehenden Bereichs sein. Vorteilhafterweise ist die Gesamtlänge L um einen Faktor von mindestens fünf größer als die maximale Ausdehnung D des hervorstehenden Bereichs. Auf diese Weise ist ein nicht-reversibles Verformen und Brechen der Feder 66 bei einem Anstoßen des zugehörigen Anschlags 62a oder 62b verlässlich verhinderbar.
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine Teiloberfläche einer Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen einer Sensorvorrichtung, welche ebenfalls nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
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Die teilweise in Draufsicht dargestellte seismische Masse 80 ist auf die anhand der vorhergehenden Ausführungsform beschriebene Weise verstellbar in einer Sensorvorrichtung angeordnet. Die zugehörige Sensorvorrichtung umfasst auch die Detektions- und Auswerteeinrichtung, wobei von den Elektroden der Sensorvorrichtung nur die zweite Anschlagelektrode 64b in 3 eingezeichnet ist.
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An der in ihrer Ausgangsstellung parallel zu der xy-Ebene ausgerichteten Unterseite 58 der seismischen Masse 80 sind mehrere in z-Richtung hervorstehende Anschläge 82 angeordnet. Da die Anordnung der Anschläge 82 entsprechend der oberen Ausführungsform realisierbar ist, ist nur einer der Anschläge 82 in 3 dargestellt. Der Anschlag 82 ist an einer Außenfläche eines federnden Bereichs 84 ausgebildet, wobei die Außenfläche des federnden Bereichs 84 an der Unterseite 58 angeordnet ist. Insbesondere kann die Außenfläche des federnden Bereichs 84 in einer Ebene mit der Unterseite 58 der seismischen Masse 80 liegen.
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Der federnde Bereich 84 kann auch als EPI-Bereich bezeichnet werden. Vorzugsweise weist der federnde Bereich in einer Richtung senkrecht zu der Unterseite 58 eine Mindestschichtdicke auf, welche gleich der Mindestschichtdicke der seismischen Masse 80 ist. Der Anschlag 82 kann einstückig mit dem federnden Bereich 84 ausgebildet sein.
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Der federnde Bereich 84 ist bei der hier dargestellten Ausführungsform in einer durchgehenden Aussparung 86 eines verstellbaren Restbereichs der seismischen Masse 80 angeordnet. Über zwei mäanderförmige Federn 88 und ein Stegelement 90 ist der federnde Bereich 84 mit dem verstellbaren Restbereich der seismischen Masse 80 verbunden. Ein erstes Ende des Stegelements 90 kontaktiert den federnden Bereich 84. Ein zweites Ende des Stegelements 90 ist an je einem Ende einer mäanderförmigen Feder 88 angeordnet. Die beiden anderen Enden der mäanderförmigen Federn 88 sind an dem verstellbaren Restbereich der seismischen Masse 80 befestigt. Der federnde Bereich 84, das Stegelement 90, die beiden mäanderförmigen Federn 88 und die seismische Masse 80 können als einstückige Einheit aus einer einzigen mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert sein.
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Die Form der mäanderförmigen Federn 88 ermöglicht eine vorteilhafte Gesamtlänge der mäanderförmigen Federn 88, welche sich auf einen vergleichsweise kleinen Raum komprimieren lässt. Durch die vorteilhaft große Gesamtlänge der mäanderförmigen Federn 88 wird die bei einem Anstoßen des Anschlags 82 in Biegeenergie umgesetzte kinetische Energie über die mäanderförmigen Federn 88 verteilt, ohne dass es zu einem nicht-reversiblen Verformen und/oder Brechen der mäanderförmigen Federn 88 kommt.
Vorzugsweise sind die beiden mäanderförmigen Federn 88 in ihren Ausgangsstellungen symmetrisch zu einer parallel zu der xy-Ebene ausgerichteten Symmetrieachse 92 ausgebildet. Die Symmetrieachse 92 kann mittig durch den Anschlag 82 verlaufen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei dem Anstoßen des Anschlags 82 die in Biegeenergie umgewandelte kinetische Energie gleichmäßig auf die beiden mäanderförmigen Federn verteilt wird. Die symmetrische Ausbildung von mindestens zwei Federn, über welche ein Anschlag 82 mit einer seismischen Masse 80 verbunden ist, ist nicht auf mäanderförmige Federn 88 beschränkt.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung.
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Die Sensorvorrichtung der dargestellten seismischen Masse 100 umfasst die schon beschriebenen Komponenten 52, 54, 60a, 60b, 64a und 64b, auf deren Funktionsweise hier nicht noch einmal eingegangen wird. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist die hier dargestellte Ausführungsform der Sensorvorrichtung eine seismische Masse 100 mit zwei Teilmassen 100a und 100b auf, deren verstellbare Restbereiche jeweils einen federnden Bereich 102a oder 102b umrahmen. Vorzugsweise weisen die federnden Bereiche 102a und 102b eine senkrecht zu der Unterseite 58 (in z-Richtung) verlaufende Mindestschichtdicke auf, welche gleich einer Mindestschichtdicke der seismischen Masse 100 (in z-Richtung) ist.
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An den federnden Bereichen 102a und 102b sind mindestens zwei in z-Richtung hervorstehende Anschläge 104a und 104b ausgebildet. Es wird hier darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung der Anschläge 104a oder 104b an einem federnden Bereich 102a oder 102b beschränkt ist. Vorzugsweise sind die Anschläge 104a oder 104b an einem federnden Bereich 102a oder 102b so angeordnet, dass die Abstände zwischen zwei benachbarten Anschlägen 104a oder 104b gleich sind.
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Die federnden Bereiche 102a und 102b sind jeweils über mindestens eine Feder 106 mit der seismischen Masse 100 verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist jeder der beiden federnden Bereiche 102a und 102b über zwei Federn 106 an die seismische Masse 100 angekoppelt. Die hier beschriebene Ausführungsform ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl von Federn 106 pro federnden Bereich 102a oder 102b oder auf die gezeigte Anordnung der Federn 106 beschränkt.
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Durch die Ausbildung von mehreren Anschlägen 104a und 104b an einem federnden Bereich 102a oder 102b ist die Anzahl der Federn 106 reduzierbar. Zusätzlich vergrößert dies die beim Anstoßen der Anschläge 104a und 104b verstellte Masse und ermöglicht somit eine bessere Dämpfung.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Sensorvorrichtungen können mit weichen Biegefedern ausgestattet werden. Damit eignen sich die Sensorvorrichtungen auch für ein Nachweisen und/oder ein Messen geringer Beschleunigungen und/oder vergleichsweise kleiner Kräfte in eine Richtung senkrecht zu der Ausgangsstellung der Oberseite und/oder der Unterseite 58. Insbesondere für einen als Nieder-g-Sensor ausgebildeten Beschleunigungssensor sind die oben beschriebenen federnden Ausbildungen der Anschläge sehr vorteilhaft.
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5 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen eines Herstellungsverfahrens für eine Sensorvorrichtung, welches nicht unter die vorliegende Erfindung fällt. Beispielsweise ist das Herstellungsverfahren zum Herstellen der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen verwendbar.
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In einem Schritt S1 wird eine Isolierschicht so auf ein Substrat aufgebracht, dass die Isolierschicht eine Oberfläche des Substrats zumindest teilweise abdeckt. Vorzugsweise umfasst das Substrat Silizium. Die Isolierschicht kann beispielsweise eine Oxydschicht sein.
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Anschließend wird eine Halbleiter- und/oder Metallschicht, welche die Isolierschicht zumindest teilweise abdeckt, gebildet (Schritt S2). In einem Schritt S3 kann mindestens eine Elektrode als Untereinheit einer Detektions- und Auswerteeinrichtung aus der Halbleiter- und/oder Metallschicht herausstrukturiert werden. Beispielsweise werden Aussparungen in die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht geätzt, welche die spätere Struktur der mindestens einen Elektrode festlegen. Die mindestens eine Elektrode kann eine Detektionselektrode und/oder eine Anschlagelektrode sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Schritt S3 vor einem Aufbringen einer mikromechanischen Funktionsschicht auf zumindest Teilbereichen der Halbleiter- und/oder Metallschicht in einem Schritt S4 ausgeführt. Das hier beschriebene Herstellungsverfahren ist jedoch nicht auf eine derartige Reihenfolge zum Ausführen der Schritte S3 und S4 beschränkt. Vor dem Schritt S4 können die in die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht geätzten Aussparungen mit einem Füllmaterial, beispielsweise mit einem Oxyd, gefüllt werden. Vorzugsweise umfasst die mikromechanische Funktionsschicht Silizium. Man erhält somit eine Schichtenfolge aus dem Substrat, der Isolierschicht, der Halbleiter- und/oder Metallschicht und der mikromechanischen Funktionsschicht.
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In einem Schritt S5 wird eine flächig ausgebildete seismische Masse mit einer Oberseite und einer Unterseite an oder auf der Grundplatte der späteren Sensorvorrichtung so angeordnet, dass die seismische Masse während eines Betriebs der Sensorvorrichtung bei einem Beschleunigen der Grundplatte in eine zu einer Ausgangsstellung der Oberseite und/oder der Unterseite nicht-parallele Richtung in Bezug auf die Grundplatte verstellt wird. Gleichzeitig, zuvor oder anschließend wird in einem Schritt S6 mindestens ein an der Oberseite und/oder der Unterseite der seismischen Masse hervorstehender Anschlag ausgebildet. Dabei wird der mindestens eine Anschlag über mindestens eine Feder mit der seismischen Masse verbunden.
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Die Schritte S5 und S6 können gleichzeitig ausgeführt werden, indem zumindest die seismische Masse, der mindestens eine Anschlag und die mindestens eine Feder aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert werden. Zusätzlich können in einem Ätzverfahren zum Ausführen der Schritte S5 und S6 zumindest eine Teilkomponente einer Verankerung, über welche die seismische Masse mit der Grundplatte oder einer Untereinheit des späteren Gehäuses der Sensorvorrichtung verbunden wird, mindestens eine Biegefeder, welche zwischen der Verankerung und der seismischen Masse angeordnet ist, und ein die seismische Masse umrahmendes Rahmenteil aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert werden. Dabei kann die mindestens eine Biegefeder so geformt werden, dass sie während eines Betriebs der fertig hergestellten Sensorvorrichtung eine geringe Biegesteifigkeit zum Detektieren kleiner Beschleunigungen und/oder kleiner Kräfte aufweist.
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Vor dem Ätzverfahren kann über ein Lithographieverfahren eine strukturierte Ätzmaske auf der mikromechanischen Funktionsschicht gebildet werden. Das angewandte Ätzverfahren kann ein zweistufiges Ätzverfahren sein. In einer ersten Stufe des Ätzverfahrens kann vorzugsweise in eine senkrecht zu der mikromechanischen Funktionsschicht ausgerichtete Ätzrichtung geätzt werden. Anschließend können aus einem Material, welches bei der zweiten Stufe des Ätzverfahrens nicht angegriffen wird, Spacer gebildet werden, welche lediglich die Seitenwände der in der ersten Stufe des Ätzverfahrens geätzten Gräben abdecken. Somit erfolgt in der zweiten Stufe des Ätzverfahrens ein Unterätzen der in der ersten Stufe herausstrukturierten Strukturen. Da das Ätzverfahren anhand der vorhergehenden Sätze für einen Fachmann nahegelegt ist, wird nicht weiter darauf eingegangen.
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In mindestens einem weiteren (nicht dargestellten) Schritt kann die Detektions- und Auswerteeinrichtung fertig gestellt werden, welche dazu ausgelegt wird, bei dem Betrieb der Sensorvorrichtung eine Verstellbewegung der seismischen Masse aus der Ausgangsstellung in Bezug auf die Grundplatte zu erfassen und unter Berücksichtigung der Verstellbewegung eine Information der bezüglich der Beschleunigung der Sensorvorrichtung und/oder einer auf die Sensorvorrichtung wirkenden Kraft festzulegen.
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In einem weiteren Schritt S7 kann ein Kappenwafer an dem Rahmenteil befestigt werden. Beispielsweise ist der Kappenwafer ein Glaswafer, in welchem mindestens eine Aussparung hineinstrukturiert ist. Durch die Aussparung ist eine gute Beweglichkeit der seismischen Masse während des Betriebs der fertigen Sensorvorrichtung gewährleistet.
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Das Befestigen des Kappenwafers an dem Rahmenteil kann über ein Bondverfahren erfolgen. Vorzugsweise wird dabei ein Innenvolumen mit der seismischen Masse hermetisch abdichtet. Auf diese Weise ist das Eindringen von Partikeln oder Flüssigkeiten in das Innenvolumen 20 verlässlich verhinderbar.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Verfahrensschritte können im Bulk ausgeführt werden. Dabei können eine Vielzahl von seismischen Massen, Elektroden und Kappenwafern gleichzeitig hergestellt werden. Anschließend wird über ein Fräsen, Ätzen und/oder Sägen eine Unterteilung der fertigen Sensorvorrichtungen ausgeführt.
