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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement, welches ein Substrat, eine auf dem Substrat auslenkbar angeordnete seismische Masse und eine Anschlagsstruktur zum Begrenzen einer Auslenkung der seismischen Masse in einer Richtung weg von dem Substrat aufweist.
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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 bewegliche Mikrostruktur auf. Die Mikrostruktur, welche auch als MEMS-Struktur (Micro-Electro-Mechanical System) bezeichnet wird, umfasst häufig eine seismische Masse (Schwungmasse), welche über Federelemente an einem Substrat aufgehängt ist. Hierbei hat eine auf das Substrat einwirkende Beschleunigung eine Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Substrat zur Folge, welches durch geeignete Messmethoden nachgewiesen werden kann. Um die Auslenkung der beweglichen Masse zu begrenzen, ist es bekannt, einen Anschlag bzw. eine Anschlagsstruktur einzusetzen.
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Gemäß der
DE 198 17 357 A1 ist beispielsweise vorgesehen, die laterale Bewegung einer seismischen Masse, d. h. parallel zu einer Oberfläche eines Substrats, zu begrenzen. Zu diesem Zweck weist die seismische Masse durchgehende Ausnehmungen auf, innerhalb derer Anschlagsstrukturen angeordnet sind. In der
US 7 121 141 B2 ist ein mikromechanisches Bauelement beschrieben, bei welchem Anschläge in Form von hervorstehenden Strukturelementen an einer Unterseite einer seismischen Masse ausgebildet sind, um die Bewegung der seismischen Masse in Richtung eines Substrats zu begrenzen.
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Weitere mikromechanische Bauelemente mit Anschlagsstrukturen sind aus
EP 1 307 750 B1 ,
EP 1 947 053 A2 und
US 7 232 701 B2 bekannt. Hierbei weisen die Bauelemente ein Funktionssubstrat mit einer seismischen Masse und ein mit dem Funktionssubstrat verbundenes Kappensubstrat auf. Das Kappensubstrat weist oberhalb der seismischen Masse Anschlagsstrukturen auf, mit deren Hilfe die Bewegung der seismischen Masse in einer Richtung weg von dem Funktionssubstrat begrenzt werden kann.
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Bei den bekannten Bauelementen kann das Problem bestehen, dass sich eine Anschlagsstruktur nur relativ ungenau in Bezug auf eine seismische Masse anordnen lässt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn seismische Masse und Anschlagsstruktur auf unterschiedlichen Substraten (Funktions- und Kappensubstrat) angeordnet sind, welche miteinander verbunden werden. Das Ausbilden eines kleinen, genau definierten Abstands zwischen Anschlag und seismischer Masse ist daher nicht oder nur mit einem relativ hohen Herstellungsaufwand möglich. Weitere Nachteile können darin bestehen, dass ein Begrenzen der Auslenkung einer seismischen Masse nur „ruckartig” möglich ist, sowie dass eine Anschlagsstruktur gegebenenfalls ein unbestimmtes elektrisches Potential aufweist, wodurch ein zuverlässiger Betrieb eines Bauelements beeinträchtigt werden kann.
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Die Druckschrift
US 2006/0272413 A1 offenbart einen dreiachsigen MEMS Beschleunigungssensor mit einem Substrat, einer auf dem Substrat auslenkbar angeordneten seismischen Masse und eine Anschlagsstruktur zum Begrenzen einer Auslenkung der seismischen Masse in eine Richtung weg vom Substrat, wobei die Anschlagstruktur auf dem Substrat angeordnet ist und einen Begrenzungsabschnitt zum Begrenzen der Auslenkung der seismischen Masse aufweist, welcher in einer Ebene mit der seismischen Masse liegt.
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Die Druckschrift
DE 693 18 956 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Beschleunigungsmessern mittels SOI Technologie. Der Beschleunigungsmesser weist an seiner seismischen Masse senkrecht zum Substrat Anschlagstrukturen auf.
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Die Druckschrift
EP 1 242 826 B1 offenbart einen Beschleunigungssensor mit eingeschränkter Beweglichkeit in vertikaler Richtung. Der Beschleunigungssensor weist ebenfalls an seiner seismischen Masse senkrecht zum Substrat Anschlagstrukturen auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement mit einer Anschlagsstruktur bereitzustellen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit einer Anschlagsstruktur 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 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen, welches ein Substrat, eine auf dem Substrat auslenkbar angeordnete seismische Masse und eine Anschlagsstruktur zum Begrenzen einer Auslenkung der seismischen Masse in einer Richtung weg von dem Substrat aufweist. Das Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass die Anschlagsstruktur auf dem Substrat angeordnet ist und einen Begrenzungsabschnitt zum Begrenzen der Auslenkung der seismischen Masse aufweist, welcher in einer Ebene mit der seismischen Masse liegt.
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Bei dem mikromechanischen Bauelement befindet sich die Anschlagsstruktur auf dem gleichen Substrat wie die seismische Masse. Des Weiteren liegen der Begrenzungsabschnitt der Anschlagsstruktur und die seismische Masse in einer „gemeinsamen Ebene”, d. h. dass eine Oberseite des Begrenzungsabschnitts im Wesentlichen in einer Ebene mit einer Oberseite der seismischen Masse und eine Unterseite des Begrenzungsabschnitts im Wesentlichen in einer Ebene mit einer Unterseite der seismischen Masse liegt. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die seismische Masse und die Anschlagsstruktur, welche zum Begrenzen der Auslenkung der seismischen Masse weg von dem Substrat eingesetzt wird, relativ genau und mit einem definierten Abstand zueinander anzuordnen, wodurch eine zuverlässige Funktionsweise des Bauelements ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß ist an der seismischen Masse des Bauelements eine Gegenstruktur angeordnet, welche bei einer Auslenkung der seismischen Masse in einer Richtung weg von dem Substrat in einen Berührkontakt mit dem Begrenzungsabschnitt der Anschlagsstruktur tritt. Die Gegenstruktur kann hierbei ganz oder teilweise unterhalb der seismischen Masse angeordnet sein und, je nach den angestrebten Eigenschaften, unterschiedliche Formen bzw. Ausgestaltungen aufweisen. In Betracht kommt zum Beispiel eine plattenförmige Struktur. Möglich ist auch eine federnde Struktur, so dass ein „federndes” bzw. „weiches” Begrenzen der Bewegung der seismischen Masse ermöglicht wird, um beispielsweise die Gefahr einer Beschädigung zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß weist die seismische Masse auf einer Unterseite an einem Randbereich ein Verbindungselement auf, welches mit der Gegenstruktur verbunden ist. Die Gegenstruktur steht hierbei seitlich über den Randbereich der seismischen Masse hervor. Auf diese Weise unterliegt die Gegenstruktur beim Berühren der Anschlagsstruktur einer Biegebelastung, was ebenfalls mit einem federnden Anschlagen verbunden sein kann.
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Erfindungsgemäß weist die seismische Masse an einem Randbereich eine erste und zweite senkrecht zu dem Substrat verlaufende Rippe auf. Hierbei ist die Gegenstruktur an Unterseiten der zwei Rippen angeordnet. Der Begrenzungsabschnitt der Anschlagsstruktur weist eine dritte senkrecht zu dem Substrat verlaufende Rippe auf, welche in einen Bereich zwischen der ersten und zweiten Rippe der seismischen Masse hineinragt. Eine derartige Anordnung kann relativ platzgünstig verwirklicht werden. Darüber hinaus erfährt die Gegenstruktur beim Berühren des Begrenzungsabschnitts der Anschlagsstruktur im Wesentlichen eine Zugbelastung, wodurch ein robustes bzw. stabiles Anschlagen ermöglicht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die seismische Masse angrenzend an einen Randbereich eine durchgehend Aussparung und an einer Unterseite im Bereich der Aussparung hervorstehende Grate auf, an welchen die Gegenstruktur angeordnet ist. Der Begrenzungsabschnitt der Anschlagsstruktur ragt hierbei in einen von der Aussparung umfassten Bereich hinein. Auch auf diese Weise kann eine hohe Stabilität für das Anschlagen erzielt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Anschlagsstruktur auf einer leitfähigen Schicht des Substrats angeordnet. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, an die Anschlagsstruktur ein vorgegebenes elektrisches Potential anzulegen. Hierdurch können das Auftreten eines Potentialunterschiedes zwischen der seismischen Masse und der Anschlagsstruktur sowie hiermit verbundene negative Effekte und Einflüsse, zum Beispiel auf eine im Betrieb des Bauelements eingesetzte Auswerteschaltung, vermieden werden. Auch kann eine Funkenbildung beim bzw. vor einem Anschlagen an der Anschlagsstruktur und eine hiermit verbundene Beeinträchtigung des mikromechanischen Bauelements verhindert werden. Darüber hinaus kann der Abstand zwischen dem Begrenzungsabschnitt der Anschlagsstruktur und der seismischen Masse (bzw. deren Gegenstruktur) und damit die Bewegungsfreiheit der seismischen Masse ohne negative Folgen relativ klein gewählt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das mikromechanische Bauelement weiter eine auf dem Substrat angeordnete Schicht in einem Bereich unterhalb des Begrenzungsabschnitts der Anschlagsstruktur auf, mit deren Hilfe eine Auslenkung der seismischen Masse in einer Richtung auf das Substrat begrenzt wird. Bei dieser Schicht kann es sich insbesondere um die vorstehend beschriebene leitfähige Schicht handeln.
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Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats, ein Ausbilden einer auf dem Substrat auslenkbar angeordneten seismischen Masse, und ein Ausbilden einer Anschlagsstruktur mit einem Begrenzungsabschnitt zum Begrenzen einer Auslenkung der seismischen Masse in einer Richtung weg von dem Substrat. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die seismische Masse und die Anschlagsstruktur aus einer gemeinsamen Funktionsschicht auf dem Substrat ausgebildet werden. Dadurch bietet das Verfahren die Möglichkeit, die seismische Masse und die Anschlagsstruktur mit einer hohen Genauigkeit und einem definierten Abstand zueinander anzuordnen, wodurch eine zuverlässige Funktionsweise des Bauelements ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren weiter ein Ausbilden einer an der seismischen Masse angeordneten Gegenstruktur, welche bei einer Auslenkung der seismischen Masse in einer Richtung weg von dem Substrat in einen Berührkontakt mit dem Begrenzungsabschnitt der Anschlagsstruktur tritt.
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Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren weiter ein Durchführen eines Opferschichtverfahrens durch Ausbilden und Entfernen einer Opferschicht, um einen in einer Ausgangsstellung der seismischen Masse vorliegenden Abstand zwischen dem Begrenzungsabschnitt der Anschlagsstruktur und der Gegenstruktur einzustellen. Durch diese Vorgehensweise kann der Abstand mit einer hohen Genauigkeit festgelegt werden. Auch kann ein relativ kleiner Abstand verwirklicht werden, wodurch eine zuverlässige Funktionsweise des Bauelements weiter begünstigt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische seitliche Schnittdarstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einer Anschlagsstruktur;
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2 und 3 unterschiedliche schematische Aufsichtsdarstellungen auf Komponenten des Bauelements von 1;
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4 bis 7 die Herstellung eines Funktionssubstrats des Bauelements von 1, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung;
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8 bis 13 die Herstellung eines weiteren Funktionssubstrats mit einer Anschlagsstruktur, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung;
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14 und 15 eine schematische seitliche Schnittdarstellung und eine Aufsichtsdarstellung eines weiteren Funktionssubstrats;
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16 und 17 eine schematische seitliche Schnittdarstellung und eine Aufsichtsdarstellung eines weiteren Funktionssubstrats;
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18 bis 21 ein weiteres Funktionssubstrat in unterschiedlichen schematischen Schnitt- und Aufsichtsdarstellungen;
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22 bis 25 ein weiteres Funktionssubstrat in unterschiedlichen schematischen Schnitt- und Aufsichtsdarstellungen;
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26 bis 29 ein weiteres Funktionssubstrat in unterschiedlichen schematischen Schnitt- und Aufsichtsdarstellungen;
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30 bis 33 ein weiteres Funktionssubstrat in unterschiedlichen schematischen Schnitt- und Aufsichtsdarstellungen;
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34 eine schematische Aufsichtsdarstellung zu einer alternativen Ausgestaltung des Funktionssubstrats der 30 bis 33;
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35 und 36 schematische Schnittdarstellungen eines weiteren Funktionssubstrats;
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37 bis 44 die Herstellung eines weiteren Funktionssubstrats, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung;
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45 und 46 weitere schematische Darstellungen des gemäß den 36 bis 43 hergestellten Funktionssubstrats; und
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47 bis 49 ein weiteres Funktionssubstrat in unterschiedlichen schematischen Schnitt- und Aufsichtsdarstellungen.
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Die anhand der folgenden Figuren beschriebenen mikromechanischen Bauelemente, welche auch als „Z-Sensoren” bezeichnet werden, weisen eine auf einem Substrat angeordnete seismische Masse in Form einer drehbaren Wippenstruktur mit zwei Hebelarmen auf. Zum Begrenzen einer Auslenkung eines Hebelarms der seismischen Masse in einer Richtung weg von dem Substrat weisen die Bauelemente ferner eine dazugehörige und von der seismischen Masse getrennte Anschlagsstruktur auf, welche mit einer hohen Genauigkeit und mit einem definierten (kleinen) Abstand in Bezug auf die seismische Masse angeordnet ist. Ferner beschrieben werden mögliche vorteilhafte Verfahren zur Herstellung der Bauelemente. Auf diese Weise können beispielsweise Bauelemente verwirklicht werden, bei denen die Bewegungsfreiheit einer seismischen Masse auf (deutlich) unter zwei Mikrometern begrenzt ist.
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Die 1 bis 3 zeigen ein mikromechanisches Bauelement 100 in unterschiedlichen schematischen Ansichten, wobei 1 eine seitliche Schnittdarstellung und die 2 und 3 Aufsichtsdarstellungen von Komponenten des Bauelements 100 umfassen. Zur Veranschaulichung enthalten die 2 und 3 ferner eine Darstellung einer Schnittlinie A-A, welche sich auf die Schnittansicht von 1 bezieht.
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Das Bauelement 100 weist wie in 1 dargestellt ein Funktionssubstrat 101 mit einer beweglichen Mikrostruktur und ein mit dem Funktionssubstrat 101 verbundenes Kappensubstrat 190 zum hermetischen Abdichten der Mikrostruktur auf. Das Funktionssubstrat 101 umfasst ein Grundsubstrat 110, auf welchem mehrere strukturierte Schichten übereinander angeordnet sind. Hierunter fallen eine isolierende Schicht 120, eine leitfähige Schicht 130, eine isolierende Opferschicht 121, und eine leitfähige Funktionsschicht 150. Mögliche Materialien dieser Schichten sind weiter unten in Zusammenhang mit einem Herstellungsverfahren angegeben.
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Ein Teil der strukturierten Funktionsschicht 150 ist als Wippenstruktur 160 mit einem ersten Hebelarm 161 und einem zweiten Hebelarm 162 ausgebildet, welche unterschiedliche Längen aufweisen. Wie in 2 dargestellt, ist in der Wippenstruktur 160 eine Lochstruktur mit durchgehenden Aussparungen 153 vorgesehen, durch welche ein im Rahmen der Herstellung zum Freilegen der Wippe 160 eingesetztes Ätzmedium durchgeleitet werden kann. In einem Bereich zwischen den Hebelarmen 161, 162 ist eine Trägerstruktur 167 zum drehbaren Lagern der Wippenstruktur 160 angeordnet, welche zwei mit einem Stützelement 169 verbundene Torsionsfedern bzw. Torsionsstege 168 aufweist. Über das Stützelement 169 ist die Wippenstruktur 160 mit dem Substrat 110 bzw. einem Teilbereich 133 der leitfähigen Schicht 130 verbunden. Neben dem Teilbereich 133 umfasst die leitfähige Schicht 130 ferner eine erste und eine zweite flächige Elektrode 131, 132, deren laterale Struktur anhand der Aufsichtsdarstellung von 3 ersichtlich wird.
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Aufgrund der unterschiedlichen Längen der Hebelarme 161, 162 weist die Wippenstruktur 160 eine Massenasymmetrie in Bezug auf eine durch die Torsionsstege 168 vorgegebene Drehachse auf. Diese Ausgestaltung bewirkt bei einer senkrecht zur Substratebene bzw. Oberfläche des Substrats 110 einwirkenden Beschleunigung eine Drehung der Wippenstruktur 160, d. h. dass einer der beiden Hebelarme 161, 162 in einer Richtung weg von dem Substrat 110 und der andere der Hebelarme 161, 162 in Richtung des Substrats 110 bewegt wird. Die Auslenkung der Wippenstruktur 160 ist abhängig von der Größe der einwirkenden Beschleunigungskraft, was bei dem Bauelement 100 auf kapazitive Weise erfasst wird.
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Hierbei bilden die beiden Elektroden 131, 132 mit den darüber angeordneten Hebelarmen 161, 162 jeweils einen Kondensator. Die Drehbewegung der Wippenstruktur 160 aufgrund einer (senkrecht auf das Substrat 110) einwirkenden Beschleunigung führt zu einer Abstandsänderung zwischen den Elektroden 131, 132 und den Hebelarmen 161, 162, und damit zu einer Kapazitätsänderung. Die Beschleunigungskraft kann daher durch Messen der Kapazität bzw. Kapazitätsänderung erfasst werden. Bei der Messung werden entsprechende elektrische Potentiale an die Wippenstruktur 160 und die beiden Elektroden 131, 132 angelegt. Zu diesem Zweck umfasst die leitfähige Schicht 130 wie in 3 angedeutet Leiterbahnen 134, welche mit den Elektroden 131, 132 und dem (die Wippenstruktur 160 über das Stützelement 169 kontaktierenden) Teilbereich 133 verbunden sind.
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Ein weiterer Teil der Funktionsschicht 150 ist wie in 1 dargestellt an beiden Seiten der seismischen Masse bzw. Wippenstruktur 160 in Form von Anschlagsstrukturen 180 ausgebildet, mit deren Hilfe die Bewegung der Hebelarme 161, 162 in einer Richtung weg von dem Substrat 110 bei einer Drehbewegung der Wippenstruktur 160 und damit die hierbei auftretende Belastung der Torsionsstege 168 begrenzt werden kann. Jede der beiden Anschlagsstrukturen 180 umfasst jeweils ein mit dem Substrat 110 (über die Schichten 120, 130) verbundenes Stützelement 181 und einen seitlich über das Stützelement 181 in Richtung der Wippenstruktur 160 hervorstehenden Begrenzungsabschnitt 182 zum Begrenzen der Auslenkung eines der Hebelarme 161, 162. Wie in 2 dargestellt, kann ein Begrenzungsabschnitt 182 eine in der Aufsicht rechteckige Form aufweisen.
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Darüber hinaus ist an der Wippenstruktur 160 an jeder Seite bzw. unterhalb jedes Hebelarms 161, 162 eine als „Hilfsschicht” dienende schicht- bzw. plattenförmige Gegenstruktur 140 vorgesehen, welche bei der Auslenkung der Hebelarme 161, 162 in einer Richtung weg von dem Substrat 110 in einen Berührkontakt mit dem Begrenzungsabschnitt 182 einer dazugehörigen Anschlagsstruktur 182 tritt, um die Auslenkung zu begrenzen. Jede Gegenstruktur 140 ist über ein Verbindungselement 170 mit einem der Hebelarme 161, 162 verbunden. Die Verbindungselemente 170, welche ebenfalls Teil der Funktionsschicht 150 sind, sind auf einer Unterseite der Hebelarme 161, 162 an einem Randbereich vorgesehen. Die Gegenstrukturen 140 stehen wie anhand von 1 deutlich wird jeweils seitlich über den Randbereich der Wippenstruktur 160 hervor. Wie in 2 dargestellt, können die Gegenstrukturen 140 und der Begrenzungsabschnitt 182 der Anschlagsstrukturen 180 die gleiche Breite aufweisen.
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Die Gegenstrukturen 140 sind wie die Elektroden 131, 132 und der Teilbereich 133 aus der leitfähigen Schicht 130 strukturiert. Eine mögliche Lage der (rechteckigen oder quadratischen) Gegenstrukturen 140 wird ferner anhand der Aufsichtsdarstellung von 3 deutlich. Hierbei können die Elektroden 131, 132 seitlich entsprechende Ausformungen bzw. Aussparungen aufweisen, um eine eine Kapazitätsmessung beeinträchtigende Berührung zwischen den Gegenstrukturen 140 (welche das gleiche elektrische Potential aufweisen wie die Wippenstruktur 160) und den Elektroden 131, 132 zu vermeiden.
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Bei dem Funktionssubstrat 101 liegt der Begrenzungsabschnitt 182 der Anschlagsstrukturen 180 in einer Ebene mit der Wippenstruktur 160. Dies bedeutet, dass eine Oberseite 201 eines Begrenzungsabschnitts 182 im Wesentlichen in einer Ebene mit einer Oberseite 200 der Wippenstruktur 160 (bzw. eines zugehörigen Hebelarms 161, 162) und eine Unterseite 211 eines Begrenzungsabschnitts 182 im Wesentlichen in einer Ebene mit einer Unterseite 210 der Wippenstruktur 160 (ohne die Verbindungselemente 170 und die Gegenstrukturen 140) liegt, wie anhand von 1 deutlich wird. Durch diese Ausgestaltung können die seitlich von der Wippenstruktur 160 angeordneten Anschlagsstrukturen 180 eine relativ genaue Lage in Bezug auf die Wippenstruktur 160 aufweisen. Auch kann der Abstand zwischen einem Begrenzungsabschnitt 182 und einer dazugehörigen Gegenstruktur 140 und damit die Bewegungsfreiheit der Wippenstruktur 160 mit einer hohen Genauigkeit festgelegt werden, wodurch die Wippenstruktur 160 ein zuverlässiges und definiertes Anschlagsverhalten aufweist. Das „Einstellen” eines genauen Abstands wird ferner dadurch erzielt bzw. begünstigt, dass sowohl die Anschlagsstrukturen 180 und die Wippenstruktur 160 gemeinsam aus der Funktionsschicht 150 hervorgehen. Die vorstehenden Ausführungen gelten auch für die anhand der weiteren Figuren erläuterten alternativen Ausführungsformen von Funktionssubstraten 101.
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Jeweils seitlich von den Anschlagsstrukturen 180 ist wie in 1 dargestellt ein weiterer aus der Funktionsschicht 150 hervorgehender Abschnitt 151 vorgesehen, welcher auf einem Abschnitt der Opferschicht 121 angeordnet ist. Die beiden Abschnitte 121, 151 sind rahmenförmig um die Anschlagsstrukturen 180 und die Wippenstruktur 160 herum angeordnet und über ein Verbindungsmedium 191 mit dem Kappensubstrat 190 verbunden, um einen hermetisch abgedichteten Innenraum im Bereich der Wippenstruktur 160 bereitzustellen. Als Material für das Verbindungsmedium 191 kommt zum Beispiel ein Klebstoff, ein Sealglas oder eine eutektische Legierung in Betracht.
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Bei dem Bauelement 100 ist vorgesehen, neben den Elektroden 131, 132 und der Wippenstruktur 160 auch die Anschlagsstrukturen 180 mit einem vorgegebenen elektrischen Potential zu beaufschlagen. Auf diese Weise kann zum Beispiel das Auftreten einer unerwünschten parasitären Kapazität zwischen den Anschlagsstrukturen 180 und der seismischen Masse bzw. Wippenstruktur 160 unterdrückt werden, wodurch negative Einflüsse, zum Beispiel auf eine im Betrieb des Bauelements 100 für die Kapazitätsmessung eingesetzte Auswerteschaltung, vermieden werden. Des Weiteren kann der Abstand zwischen einer Anschlagsstruktur 180 bzw. deren Begrenzungsabschnitt 182 und einer Gegenstruktur 140 ohne negative Folgen relativ klein gewählt werden.
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Zu diesem Zweck ist die leitfähige Schicht 130 wie in 1 dargestellt in Form eines weiteren (von den Elektroden 131, 132 und dem Teilbereich 133 getrennten) Teilbereichs 135 strukturiert, auf welcher die Anschlagsstrukturen 180 sowie außerhalb des „verkapselten” Innenraumraums ein aus der Funktionsschicht 150 gebildetes Kontaktelement 152 angeordnet ist. Das Kontaktelement 152 kann an der Oberseite mit einer metallischen Schicht 195 versehen sein, um beispielsweise ein Anbringen eines Bonddrahts zu ermöglichen. Im Hinblick auf die Elektroden 131, 132 und den Teilbereich 133 sind ebenfalls Kontaktelemente entsprechend dem Kontaktelement 152 außerhalb des Hohlraums für eine externe Kontaktierung vorgesehen, welche mit den Leiterbahnen 134 verbunden sind (nicht dargestellt).
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Die 4 bis 7 zeigen – jeweils in einer seitlichen Schnittdarstellung – ein mögliches Verfahren zur Herstellung des Funktionssubstrats 101 des Bauelements 100 von 1. Bei der Herstellung können in der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik übliche Prozesse und Materialien zum Einsatz kommen. Im Hinblick auf die an beiden Seiten der Wippenstruktur 160 angeordneten Gegenstrukturen 140 und Anschlagsstrukturen 182 sind lediglich die im Bereich des linken Hebelarms 161 vorgesehenen Strukturen veranschaulicht. Diese Ausschnittsdarstellung wird zum Teil auch in anderen Figuren verwendet.
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Zu Beginn des Herstellungsverfahrens wird ein Halbleitersubstrat 110 bereitgestellt, bei dem es sich beispielsweise um einen Silizium-Wafer handeln kann. Nachfolgend werden eine isolierende Schicht 120 auf das Substrat 110 und eine leitfähige Schicht 130 auf die isolierende Schicht 120 aufgebracht. Bei der isolierenden Schicht 120 kann es sich beispielsweise um eine Siliziumoxidschicht handeln, welche die leitfähige Schicht 130 gegenüber dem Substrat 110 isoliert. Bei der leitfähigen Schicht 130 kann es sich beispielsweise um eine (dotierte) Polysiliziumschicht handeln. Die leitfähige Schicht 130 wird ferner, wie in 4 dargestellt, einer Strukturierung unterzogen, um die beiden Elektroden 131, 132, die Teilbereiche 133, 135, die Gegenstrukturen 140 sowie die (in den 4 bis 7 nicht dargestellten) Leiterbahnen 134 auszubilden.
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Im Anschluss hieran wird, wie in 5 dargestellt, eine Opferschicht 121 auf die strukturierte leitfähige Schicht 130 und die isolierende Schicht 120 aufgebracht. Bei der Opferschicht 121 kann es sich um eine Siliziumoxidschicht handeln. Die Opferschicht 121 wird ferner einer Strukturierung unterzogen, um Aussparungen auszubilden, durch welche die leitfähige Schicht 130 an vorgegebenen Stellen der Teilbereiche 133, 135 und der Gegenstrukturen 140 freigelegt wird.
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Nachfolgend wird wie in 6 dargestellt eine Funktionsschicht 150 auf die strukturierte Opferschicht 121 sowie „zwischen” die Opferschicht 121 auf die freigelegten Bereiche der leitfähigen Schicht 130 aufgebracht. Die Funktionsschicht 150 ist beispielsweise eine sogenannte Epi-Polysiliziumschicht, d. h. eine in einem Epitaxie-Verfahren erzeugte polykristalline Siliziumschicht, welche optional dotiert ausgebildet sein kann. Auch die Funktionsschicht 150 wird einer Strukturierung („Trenchen”) unterzogen, um die Wippenstruktur 160 mit den beiden Hebelarmen 161, 162 und der Trägerstruktur 167 (einschließlich der in 2 dargestellten Aussparungen 153), die Anschlagsstrukturen 180, den Abschnitt 151 und das Kontaktelement 152 auszubilden. Die Form der Stützelemente 169, 181 der Trägerstruktur 167 und der Anschlagsstrukturen 180 sowie der mit den Gegenstrukturen 140 verbundenen Verbindungselemente 170 wird hingegen durch die in der Opferschicht 121 vor dem Aufbringen der Funktionsschicht 150 strukturierten Aussparungen festgelegt.
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Zum anschließenden Freilegen der Wippenstruktur 160 wird ein Ätzmedium oder Ätzgas, beispielsweise Flusssäuredampf, durch die strukturierte Funktionsschicht 150 und insbesondere durch die Aussparungen 153 der Wippenstruktur 160 (vgl. 2) an die Opferschicht 121 herangeführt, wodurch ein großer Teil der Opferschicht 121 wie in 7 dargestellt (bis auf einen Bereich unterhalb des Abschnitts 151) entfernt wird. Das zur Opferschichtentfernung eingesetzte Ätzmedium kann auch zu der isolierenden Schicht 120 gelangen, wodurch die isolierende Schicht 120 lokal (insbesondere unterhalb der Gegenstrukturen 140) entfernt sowie unterhalb der leitfähigen Schicht 130 seitlich etwas unterätzt wird, und sich die in 7 dargestellte Struktur ergibt.
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Neben dem gemeinsamen Erzeugen von Anschlags- und Wippenstruktur 160, 180 aus der Funktionsschicht 150 wird das genaue Einstellen eines Abstands zwischen Begrenzungsabschnitt 182 und Gegenstruktur 140 insbesondere durch das Ausbilden und Entfernen der Opferschicht 121 ermöglicht. Auch kann durch Durchführen eines solchen Opferschichtverfahrens ein (in der Ausgangsstellung der Wippenstruktur 160 vorliegender) relativ kleiner Abstand zwischen Begrenzungsabschnitt 182 und Gegenstruktur 140 von zum Beispiel einem Mikrometer verwirklicht werden, wodurch die Gefahr einer Beschädigung, insbesondere der Torsionsstege 168, bei einer Auslenkung der Wippenstruktur 160 zuverlässig vermieden werden kann. Dies trifft auch auf die anderen anhand der Figuren erläuterten alternativen Herstellungsverfahren zu.
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Im Anschluss an die beschriebenen Verfahrensschritte können weitere Schritte zum Vervollständigen eines Funktionssubstrats 101 bzw. Bauelements 100 durchgeführt werden. Hierunter fallen beispielsweise ein Rückdünnen des Substrats 110 und ein Vereinzelungsprozess, um voneinander getrennte Funktionssubstrate 101 bereitzustellen. In Betracht kommt ferner ein Verbinden des Funktionssubstrats 101 mit einem Kappensubstrat 190 (vgl. 1), um einen hermetisch dichten Innenraum im Bereich der Wippenstruktur 160 auszubilden. Dies gilt in entsprechender Weise auch für die anderen anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die vorstehend angegebenen Materialien auch bei den folgenden Ausführungsformen zum Einsatz kommen können.
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Anstelle eine mit einer Anschlagsstruktur zusammenwirkende Gegenstruktur in der gleichen Schichtebene zu verwirklichen wie Leiterbahnen und Elektroden, kann eine Gegenstruktur auch durch Ausbilden einer separaten Schicht in einer anderen Schichtebene erzeugt werden. Zur Veranschaulichung zeigen die 8 bis 13 – jeweils in einer seitlichen Schnittdarstellung – ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Funktionssubstrats 101.
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Bei diesem Verfahren wird ein Substrat 110 bereitgestellt, auf das Substrat 110 eine isolierende Schicht 120 und auf die isolierende Schicht eine leitfähige Schicht 130 aufgebracht. Die leitfähige Schicht 130 wird ferner, wie in 8 dargestellt, strukturiert, um zwei Elektroden 131, 132, (nicht dargestellte) Leiterbahnen und Teilbereiche 133, 135 auszubilden. Nachfolgend wird, wie in 9 dargestellt, eine erste Opferschicht 121 auf die Schichten 120, 130 aufgebracht sowie strukturiert, um die leitfähige Schicht 130 an vorgegebenen Bereichen freizulegen.
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Hieran anschließend wird eine weitere leitfähige Schicht auf der Opferschicht 121 ausgebildet sowie strukturiert, um, wie in 10 dargestellt (an jeder Seite der späteren Wippenstruktur 160 jeweils) eine Gegenstruktur 141 in einem Bereich oberhalb der leitfähigen Schicht 130 bzw. oberhalb des Teilbereichs 135 auszubilden. Als Material für diese leitfähige Schicht bzw. die Gegenstruktur 141 kommt erneut (dotiertes) Polysilizium in Betracht. Des Weiteren wird wie in 11 dargestellt eine zweite Opferschicht 122 ausgebildet sowie strukturiert, so dass die leitfähige Schicht 130 und die Gegenstruktur 141 an vorgegebenen Stellen freigelegt werden. Die zweite Opferschicht 122 kann wie die erste Opferschicht 121 Siliziumoxid aufweisen.
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Nachfolgend wird wie in 12 dargestellt eine Funktionsschicht 150 auf die Opferschicht 122 sowie auf die unbedeckten Bereiche der Gegenstruktur 141 und der leitfähigen Schicht 130 aufgebracht. Die Funktionsschicht 150 wird ferner strukturiert, um eine Wippenstruktur 160 mit Hebelarmen 161, 162, eine Trägerstruktur 167, (an jedem Hebelarm 161, 162 jeweils) eine Anschlagsstruktur 180, und einen Abschnitt 151 und ein Kontaktelement 152 auszubilden. Die Wippenstruktur 160 kann hierbei in der Aufsicht eine Form entsprechend 2 (einschließlich der Aussparungen 153) aufweisen. Durch das Aufbringen der Funktionsschicht 150 werden ferner an den zuvor freigelegten Stellen der Gegenstruktur 141 und der leitfähigen Schicht 130 Stützelemente 169, 181 der Trägerstruktur 167 und der Anschlagsstruktur 180 und (an jedem Hebelarm 161, 162) ein mit der Gegenstruktur 141 verbundenes Verbindungselement 170 erzeugt. Anschließend wird ein Ätzmedium oder Ätzgas durch die strukturierte Funktionsschicht 150 an die Opferschichten 121, 122 und an die isolierende Schicht 120 herangeführt, wodurch die betreffenden Schichten 120, 121, 122 (teilweise) entfernt werden und das in 13 dargestellte Funktionssubstrat 101 im Wesentlichen fertig gestellt ist.
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Bei dem in den 8 bis 13 dargestellten Verfahren wird – im Unterschied zu dem anhand der 4 bis 7 erläuterten Verfahren – der Abstand zwischen dem Begrenzungsabschnitt 182 der Anschlagsstruktur 180 und der Gegenstruktur 141 über die zweite Opferschicht 122 eingestellt. Des Weiteren bildet der unter der Gegenstruktur 141 angeordnete Teilbereich 135 der leitfähigen Schicht 130 eine weitere Anschlagsstruktur, mit deren Hilfe ein definiertes Anschlagen der Gegenstruktur 141 bei einer Auslenkung der Wippenstruktur 160 bzw. eines Hebelarms 161, 162 in Richtung des Substrats 110 ermöglicht wird. An den Teilbereich 135 kann erneut über das Kontaktelement 152 ein elektrisches Potential mit den oben beschriebenen vorteilhaften Wirkungen angelegt werden.
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Die 14 und 15 zeigen ein alternatives Funktionssubstrat 101 in einer seitlichen Schnittdarstellung (entlang einer Schnittlinie A-A) und in einer Aufsichtsdarstellung, welches mit dem Funktionssubstrat 101 von 13 im Wesentlichen übereinstimmt und durch Durchführen von entsprechenden Verfahrensschritten hergestellt werden kann. Hierbei weist die Wippenstruktur 160 zusätzlich am Rand jedes Hebelarms 161, 162 einen Abschnitt 163 auf, welcher in Form einer federnden Struktur ausgebildet ist (in den 14 und 15 nur für den Hebelarm 161 gezeigt). Der federnde Abschnitt 163, dessen Form beim Strukturieren der zugrundeliegenden Funktionsschicht 150 festgelegt werden kann, umfasst wie in 15 dargestellt beispielsweise innerhalb der Wippenstruktur 160 angeordnete Aussparungen sowie seitliche Einschnitte, welche jeweils die Form von Längsschlitzen aufweisen. Am Rand des Abschnitts 163 ist wie in 14 dargestellt an der Unterseite erneut ein Verbindungselement 170 vorgesehen, mit dem eine Gegenstruktur 141 verbunden ist.
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Die Ausgestaltung der Wippenstruktur 160 mit einem federnden Abschnitt 163 an den Hebelarmen 161, 162 ermöglicht ein „weiches” bzw. „verzögertes” Berühren eines Begrenzungsabschnitts 182 einer Anschlagsstruktur 180 (sowie vorliegend eines Teilbereichs 135) durch eine Gegenstruktur 141. Im Unterschied zu einem ruckartigen bzw. „harten” Anschlagen kann auf diese Weise die Gefahr einer Beschädigung einer Anschlagsstruktur 180, eines Hebelarms 161, 162, eines Torsionsstegs 168 und/oder einer Gegenstruktur 141 vermieden werden.
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Eine weitere alternative Ausgestaltung eines Funktionssubstrats 101 ist in einer seitlichen Schnittdarstellung (entlang einer Schnittlinie A-A) und einer Aufsichtsdarstellung in den 16 und 17 abgebildet. Hierbei weist eine Anschlagsstruktur 180 bzw. deren Begrenzungsabschnitt 182 am Rand einen federnden Abschnitt 183 auf, welcher ebenfalls ein „weiches” bzw. federndes Begrenzen der Bewegung der Wippenstruktur 160 ermöglicht. Der federnde Abschnitt 183, dessen Form erneut beim Strukturieren der zugrundeliegenden Funktionsschicht 150 festgelegt werden kann, umfasst wie in 17 dargestellt beispielsweise innerhalb der Wippenstruktur 160 angeordnete Aussparungen sowie seitliche Einschnitte, welche jeweils in Form von Längsschlitzen ausgebildet sind.
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Im Hinblick auf die dargestellten federnden Abschnitte 163, 183 der Wippenstruktur 160 und der Anschlagsstruktur 180 besteht ferner die Möglichkeit, ein Funktionssubstrat zu verwirklichen, bei dem sowohl die Wippenstruktur als auch die Anschlagsstrukturen entsprechende federnde Bereiche aufweisen. Des Weiteren kann auch das anhand der 1 bis 7 erläuterte Funktionssubstrat 101 mit derartigen federnden Abschnitten an Wippen- und/oder Anschlagsstruktur 160, 180 versehen werden. Dies gilt in entsprechender Weise auch für die anhand der weiteren Figuren erläuterten Ausführungsformen.
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Die 18 bis 36 zeigen weitere alternative Ausgestaltungen von Funktionssubstraten 101 in unterschiedlichen schematischen Schnitt- und Aufsichtsdarstellungen, wobei sich die Schnittdarstellungen auf Schnittlinien A-A und B-B beziehen, welche in den Aufsichtsdarstellungen abgebildet sind. Bei diesen Ausführungsformen, welche durch Durchführen von Verfahrensschritten entsprechend dem anhand der 8 bis 13 erläuterten Verfahren erzeugt werden können, ist ein „Ineinandergreifen” einer Anschlagsstruktur 180 und einer Wippenstruktur 160 vorgesehen. Zwar zeigen die Figuren Details lediglich im Bereich der linken Seite der Wippenstruktur 160. Entsprechende Strukturen können jedoch auch im Bereich der rechten Seite vorgesehen werden.
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Die 18 bis 21 zeigen ein Funktionssubstrat 101, dessen Wippenstruktur 160 wie in den 19 und 21 dargestellt am Rand jedes Hebelarms 161, 162 vier senkrecht zu dem Substrat 110 verlaufende Rippen 164 aufweist. An den Unterseiten von jeweils zwei der Rippen 164 ist wie in 21 dargestellt eine plattenförmige Gegenstruktur 142 angeordnet. Anhand der Aufsichtsdarstellung von 20 wird die laterale Lage der an dem Hebelarm 161 vorgesehenen Gegenstrukturen 142 in Bezug auf die Elektrode 131 deutlich. Die Gegenstrukturen 142 befinden sich jedoch, wie anhand von 18 ersichtlich ist, in einer anderen Schichtebene als die Elektroden 131, 132 bzw. die leitfähige Schicht 130.
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An beiden Seiten der Wippenstruktur 160 ist jeweils eine Anschlagsstruktur 180 vorgesehen, deren Begrenzungsabschnitt 182 zwei weitere senkrecht zu dem Substrat 110 verlaufende Rippen 184 aufweist. Jeweils eine Rippe 184 des Begrenzungsabschnitts 182 ragt wie in 19 dargestellt in einen Bereich zwischen zwei Rippen 164 der Wippenstruktur 160 hinein bzw. wird, wie in 21 dargestellt, von den Rippen 164 und der an der Unterseite der Rippen 164 angeordneten Gegenstruktur 142 U-förmig umfasst.
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Durch das Ineinandergreifen von Wippen- und Anschlagsstruktur 160, 180 mithilfe der Rippen 164, 184 wird eine stabile und relativ platzgünstige Anordnung ermöglicht. Des Weiteren erfährt eine an der Unterseite von zwei Rippen 164 befestigte Gegenstruktur 142 beim Berühren einer Rippe 184 eines zugehörigen Begrenzungsabschnitts 182 im Wesentlichen eine Zugbelastung, wodurch ein robustes bzw. stabiles Anschlagen ermöglicht wird. Dadurch besteht ferner die Möglichkeit, die Gegenstruktur 142 mit einer (gegenüber der leitfähigen Schicht 130) kleinen Schichtdicke zu erzeugen.
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Das Funktionssubstrat 101 der 18 bis 21 kann durch Durchführen von Schritten entsprechend des anhand der 8 bis 13 erläuterten Verfahrens hergestellt werden. Hierbei werden die dargestellten Rippen 164 der Wippenstruktur 160 durch Strukturieren einer zuvor aufgebrachten Funktionsschicht 150 erzeugt. Dies trifft auch auf die Rippen 184 der Anschlagstruktur 180 zu. Zum Herstellen der Verbindung zwischen den Rippen 164 und einer zugehörigen Gegenstruktur 142 wird eine nach dem Ausbilden der Gegenstruktur 142 aufgebrachte (zweite) Opferschicht vor dem Aufbringen der Funktionsschicht 150 teilweise entfernt, wodurch die Gegenstruktur 142 teilweise freigelegt wird. Diese Opferschicht wird ferner dazu verwendet werden, um einen Abstand zwischen der Gegenstruktur 142 und einem zugehörigen Begrenzungsabschnitt 182 bzw. dessen Rippe 184 mit einer hohen Genauigkeit einzustellen.
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Anstelle des in den 18 bis 21 dargestellten Funktionssubstrats 101 kann ein Funktionssubstrat auch mit einer anderen Anzahl an ineinandergreifenden Rippen 164, 184 verwirklicht werden. Darüber hinaus kann eine an der Unterseite von zwei Rippen 164 einer Wippenstruktur 160 angeordnete plattenförmige Gegenstruktur 142 auch in der gleichen Schichtebene wie die Elektroden 131, 132 verwirklicht werden bzw. aus der gleichen leitfähigen Schicht 130 hervorgehen. Eine derartige Ausführungsform kann durch Durchführen von Verfahrensschritten entsprechend dem anhand der 4 bis 7 erläuterten Verfahren hergestellt werden.
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Die 22 bis 25 zeigen ein weiteres Funktionssubstrat 101, dessen Wippenstruktur 160 wie in den 23 und 25 dargestellt am bzw. angrenzend an den Rand jedes Hebelarms 161, 162 eine durchgehende Aussparung 165 aufweist. Des Weiteren sind an der Unterseite der Wippenstruktur 160 im Bereich einer Aussparung 165 zwei hervorstehende sowie gegenüberliegend angeordnete Grate 171 vorgesehen, an welchen eine plattenförmige Gegenstruktur 143 angeordnet ist. Anhand der Aufsichtsdarstellung von 24 wird die laterale Lage der an dem Hebelarm 161 vorgesehenen Gegenstruktur 143 in Bezug auf die Elektrode 131 deutlich. Hierbei weist die Elektrode 131 (vergleichbar mit der Anordnung von 3) seitlich eine entsprechende Ausformung bzw. Aussparung auf, um eine eine Kapazitätsmessung beeinträchtigende Berührung zwischen der Gegenstruktur 143 und der Elektrode 131 bei einer Drehung der Wippenstruktur 160 zu vermeiden. Die Gegenstruktur 143 befindet sich jedoch, wie anhand von 22 ersichtlich ist, in einer anderen Schichtebene als die Elektroden 131, 132 bzw. die leitfähige Schicht 130.
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An beiden Seiten der Wippenstruktur 160 ist jeweils eine Anschlagsstruktur 180 vorgesehen, deren Begrenzungsabschnitt 182 einen rippenförmigen Teilbereich 185 aufweist, welcher wie in 23 dargestellt in einen von der Aussparung 165 umfassten Bereich hineinragt. Auf diese Weise wird der Teilbereich 185 des Begrenzungsabschnitts 182 wie in 25 dargestellt von der Wippenstruktur 160, den Graten 171 und der an den Graten 171 befestigten Gegenstruktur 143 U-förmig umfasst. Auch eine solche Struktur ermöglicht eine relativ platzgünstige Anordnung sowie eine hohe Stabilität beim Anschlagen, da die Gegenstruktur 143 beim Berühren des Teilbereichs 185 des Begrenzungsabschnitts 182 im Wesentlichen einer Zugbelastung unterliegt.
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Das Funktionssubstrat 101 der 22 bis 25 kann durch Durchführen von Schritten entsprechend des anhand der 8 bis 13 erläuterten Verfahrens hergestellt werden. Hierbei wird die dargestellte Form der Wippenstruktur 160 mit der Aussparung 165 an jeder Seite durch Strukturieren einer zuvor aufgebrachten Funktionsschicht 150 erzeugt. Dies trifft auch auf die Anschlagstruktur 180 zu. Zum Herstellen der Verbindung zwischen den Graten 171 und der zugehörigen Gegenstruktur 143 wird eine nach dem Ausbilden der Gegenstruktur 143 aufgebrachte (zweite) Opferschicht vor dem Aufbringen der Funktionsschicht 150 teilweise entfernt, wodurch die Gegenstruktur 143 teilweise freigelegt wird. Diese Opferschicht wird ferner dazu verwendet, um einen Abstand zwischen der Gegenstruktur 143 und einem zugehörigen Begrenzungsabschnitt 182 bzw. dessen Teilbereich 185 genau festzulegen.
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Anstelle des in den 22 bis 25 dargestellten Funktionssubstrats 101 kann ein Funktionssubstrat pro „Wippenseite” auch mit einer anderen Anzahl an Aussparungen 165 und eingreifenden Teilbereichen 185 verwirklicht werden. Darüber hinaus kann eine an der Unterseite einer Wippenstruktur 160 an Graten 171 befestigte plattenförmige Gegenstruktur 143 auch in der gleichen Schichtebene wie die Elektroden 131, 132 verwirklicht werden bzw. aus der gleichen leitfähigen Schicht 130 hervorgehen. Eine derartige Ausführungsform kann durch Durchführen von Verfahrensschritten entsprechend dem anhand der 4 bis 7 erläuterten Verfahren hergestellt werden.
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Die 26 bis 29 zeigen ein weiteres Funktionssubstrat 101, dessen Wippenstruktur 160 wie in den 27 und 29 dargestellt am Rand jedes Hebelarms 161, 162 erneut eine durchgehende Aussparung 165 aufweist. An der Unterseite der Wippenstruktur 160 sind im Bereich einer Aussparung 165 zwei hervorstehende sowie gegenüberliegend angeordnete Grate bzw. Verbindungselemente 172 zur Befestigung einer Gegenstruktur 144 vorgesehen. Die Gegenstruktur 144 weist wie in 28 dargestellt eine im Wesentlichen U-förmige Form mit zwei Schenkeln auf, und ist lediglich im Bereich der Schenkelenden mit den Verbindungselementen 172 der Wippenstruktur 160 verbunden. Auf diese Weise wird eine federnde Struktur bereitgestellt, wodurch ein „weiches” bzw. „verzögertes” Anschlagen ermöglicht wird. Auf diese Weise kann (entsprechend den oben beschriebenen federnden Abschnitten 163, 183) die Gefahr einer Beschädigung beim Anschlagen vermieden werden.
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Anhand der Aufsichtsdarstellung von 28 wird ferner die laterale Lage der an dem Hebelarm 161 vorgesehenen Gegenstruktur 144 in Bezug auf die Elektrode 131 deutlich. Hierbei weist die Elektrode 131 (vergleichbar mit der Anordnung von 3) seitlich eine entsprechende Ausformung bzw. Aussparung auf, um eine eine Kapazitätsmessung beeinträchtigende Berührung zwischen der Gegenstruktur 144 und der Elektrode 131 bei einer Drehung der Wippenstruktur 160 zu vermeiden. Die Gegenstruktur 144 befindet sich jedoch, wie anhand von 29 ersichtlich ist, in einer anderen Schichtebene als die Elektroden 131, 132 bzw. die leitfähige Schicht 130.
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An beiden Seiten der Wippenstruktur 160 ist jeweils eine Anschlagsstruktur 180 vorgesehen, deren Begrenzungsabschnitt 182 einen rippenförmigen Teilbereich 185 aufweist, welcher wie in 27 dargestellt in einen von der Aussparung 165 umfassten Bereich hineinragt. Die federnde Gegenstruktur 144 ist hierbei wie in 29 dargestellt unterhalb des Teilbereichs 185 angeordnet. Aufgrund der U-Form der Gegenstruktur 144 wird der rippenförmige Teilbereich 185 des Begrenzungsabschnitts 182 beim Anschlagen lediglich von demjenigen Abschnitt der Gegenstruktur 144 berührt, an welchem die Schenkel zusammenlaufen („Basis”), wohingegen die Schenkel an dem Teilbereich 185 vorbeibewegt werden können.
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Das Funktionssubstrat 101 der 26 bis 29 kann durch Durchführen von Schritten entsprechend des anhand der 8 bis 13 erläuterten Verfahrens hergestellt werden. Dabei wird die Wippenstruktur 160 mit der Aussparung 165 an jeder Seite durch Strukturieren einer zuvor aufgebrachten Funktionsschicht 150 erzeugt. Dies trifft auch auf die Anschlagstruktur 180 zu. Zum Herstellen der Verbindungselemente 172 wird eine nach dem Ausbilden der U-förmigen Gegenstruktur 144 aufgebrachte (zweite) Opferschicht vor dem Aufbringen der Funktionsschicht 150 teilweise entfernt, wodurch die Gegenstruktur 144 teilweise freigelegt wird. Diese Opferschicht wird ferner dazu verwendet, um einen Abstand zwischen der Gegenstruktur 144 und dem Begrenzungsabschnitt 182 bzw. dessen Teilbereich 185 festzulegen.
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Anstelle des in den 26 bis 29 dargestellten Funktionssubstrats 101 kann ein Funktionssubstrat pro „Wippenseite” auch mit einer anderen Anzahl an Aussparungen 165 und eingreifenden Teilbereichen 185 verwirklicht werden. Des Weiteren kann eine an der Unterseite einer Wippenstruktur 160 an Verbindungselementen 172 befestigte federnde Gegenstruktur 144 auch in der gleichen Schichtebene wie die Elektroden 131, 132 verwirklicht werden bzw. aus der gleichen leitfähigen Schicht 130 hervorgehen. Eine derartige Ausführungsform kann durch Durchführen von Verfahrensschritten entsprechend dem anhand der 4 bis 7 erläuterten Verfahren hergestellt werden. Darüber hinaus kann eine federnde Gegenstruktur auch mit einer anderen Form als der dargestellten U-Form hergestellt werden.
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Die 30 bis 33 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Funktionssubstrats 101, dessen Wippenstruktur 160 wie in den 31 und 33 dargestellt am Rand jedes Hebelarms 161, 162 erneut eine durchgehende Aussparung 166 aufweist. Die Aussparung 166 weist in der Aufsicht (im Unterschied zu der rechteckigen Aussparung 165 der 23 und 27) eine T-förmige Form auf. Darüber hinaus weist die Aussparung 166 innenseitig noppenförmige Erhebungen 179 auf.
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An der Unterseite der Wippenstruktur 160 sind im Bereich einer Aussparung 166 hervorstehende Grate 173 vorgesehen, an welchen eine plattenförmige Gegenstruktur 145 angeordnet ist. Anhand der Aufsichtsdarstellung von 32 wird die laterale Lage der an dem Hebelarm 161 vorgesehenen Gegenstruktur 145 in Bezug auf die Elektrode 131 deutlich. Hierbei weist die Elektrode 131 seitlich eine Ausformung bzw. Aussparung auf, um eine eine Kapazitätsmessung beeinträchtigende Berührung zwischen der Gegenstruktur 145 und der Elektrode 131 bei einer Drehung der Wippenstruktur 160 zu vermeiden. Die Aussparung der Elektrode 131 kann wie n 32 angedeutet entsprechend der Aussparung 166 des darüber angeordneten Hebelarms 161 T-förmig ausgebildet sein. Die Gegenstruktur 144 befindet sich, wie anhand von 30 ersichtlich ist, in einer anderen Schichtebene als die Elektroden 131, 132 bzw. die leitfähige Schicht 130.
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An beiden Seiten der Wippenstruktur 160 ist jeweils eine Anschlagsstruktur 180 vorgesehen, deren Begrenzungsabschnitt 182 einen T-förmigen Teilbereich 186 aufweist, welcher wie in 31 dargestellt in einen von der T-förmigen Aussparung 166 umfassten Bereich hineinragt bzw. von der T-förmigen Aussparung 166 umschlossen wird. Durch die übereinstimmende T-Form von Aussparung 166 und Teilbereich 186 sowie die noppenförmige Erhebungen 179 ist die Möglichkeit gegeben, zusätzlich auch laterale Auslenkungen der Wippenstruktur 160 zuverlässig und genau zu begrenzen.
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Das Funktionssubstrat 101 der 30 bis 33 kann durch Durchführen von Schritten entsprechend des anhand der 8 bis 13 erläuterten Verfahrens hergestellt werden. Hierbei wird die dargestellte Form der Wippenstruktur 160 mit der Aussparung 166 an jeder Seite durch Strukturieren einer zuvor aufgebrachten Funktionsschicht 150 erzeugt. Dies trifft auch auf die Anschlagstruktur 180 mit dem Teilbereich 186 zu. Zum Herstellen der Verbindung zwischen den Graten 173 und der zugehörigen Gegenstruktur 145 wird eine nach dem Ausbilden der Gegenstruktur 145 aufgebrachte (zweite) Opferschicht vor dem Aufbringen der Funktionsschicht 150 teilweise entfernt, wodurch die Gegenstruktur 145 teilweise freigelegt wird. Diese Opferschicht wird ferner dazu verwendet, um einen Abstand zwischen der Gegenstruktur 145 und dem zugehörigen Teilbereich 185 des Begrenzungsabschnitts 182 festzulegen.
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Anstelle des in den 30 bis 33 dargestellten Funktionssubstrats 101 kann ein Funktionssubstrat pro „Wippenseite” auch mit einer anderen Anzahl an T-förmigen Aussparungen 166 und eingreifenden Teilbereichen 186 verwirklicht werden. Darüber hinaus kann eine an der Unterseite einer Wippenstruktur 160 an Graten 173 befestigte plattenförmige Gegenstruktur 145 auch in der gleichen Schichtebene wie die Elektroden 131, 132 verwirklicht werden bzw. aus der gleichen leitfähigen Schicht 130 hervorgehen. Eine derartige Ausführungsform kann durch Durchführen von Verfahrensschritten entsprechend dem anhand der 4 bis 7 erläuterten Verfahren hergestellt werden.
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Eine alternative Ausgestaltung zu dem in den 30 bis 33 dargestellten Funktionssubstrat 101 ist in der Aufsichtsdarstellung von 34 veranschaulicht. Hierbei weist die Wippenstruktur 166 am Rand erneut eine durchgehende T-förmige Aussparung 166 auf, innerhalb derer ein T-förmiger Teilbereich 186 eines Begrenzungsabschnitts 182 einer Anschlagsstruktur 180 angeordnet ist. Im Unterschied zu der in 31 dargestellten Ausführungsform sind noppenförmige Erhebungen 179 zum Begrenzen einer lateralen Bewegung der Wippenstruktur 160 hierbei an dem Teilbereich 186 vorgesehen. Möglich ist auch eine Kombination aus den in den 31 und 34 dargestellten Anordnungen, so dass noppenförmige Erhebungen 179 sowohl an einem Begrenzungsabschnitt bzw. dessen T-förmigen Teilbereich als auch innenseitig an einer durchgehenden Aussparung einer Wippenstruktur vorgesehen sind (nicht dargestellt).
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Bei den anhand der 18 bis 34 dargestellten Ausführungsformen befindet sich unterhalb der jeweiligen Gegenstrukturen 142, 143, 144, 145 lediglich die Oberfläche des Substrats 110. Die Ausführungsformen können jedoch auch dahingehend modifiziert werden, dass unterhalb der Gegenstrukturen 142, 143, 144, 145 eine zusätzliche Schicht vorgesehen ist, mit deren Hilfe ein definiertes Anschlagen der jeweiligen Gegenstruktur 142, 143, 144, 145 bei einer Auslenkung der Wippenstruktur 160 bzw. eines Hebelarms 161, 162 in Richtung des Substrats 110 ermöglicht wird. Im Hinblick auf das in den 22 bis 25 dargestellte Funktionssubstrat ist eine derartige Variante anhand der Schnittdarstellungen der 35 und 36 veranschaulicht. Hierbei ist unterhalb der Gegenstruktur 143 – vergleichbar zu der in 13 dargestellten Anordnung – ein Teilbereich 135 der leitfähigen Schicht 130 vorgesehen.
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Eine weitere mögliche Alternative besteht in der Ausbildung von Strukturen, welche ein „gestaffeltes” Anschlagen ermöglichen. Dies bedeutet, dass bei einer Auslenkung einer Wippenstruktur 160 zunächst ein „weiches” Anschlagen, und bei einer weiteren Auslenkung der Wippenstruktur 160 ein „hartes” Anschlagen erfolgt. In dieser Hinsicht zeigen die 37 bis 44 – jeweils in einer seitlichen Schnittdarstellung entlang einer Schnittlinie A-A (Mitte) und einer Schnittlinie C-C (Rand) – ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Funktionssubstrats 101. Eine dazugehörige Aufsichtsdarstellung auf eine Wippenstruktur 160 und einen Begrenzungsabschnitt 182 einer Anschlagsstruktur 180 des Funktionssubstrats 101 inklusive der Schnittlinien A-A und C-C ist in 45, und eine weitere Schnittdarstellung (entlang einer Schnittlinie B-B) in 46 dargestellt.
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Bei diesem Verfahren wird wie in den 37 und 38 dargestellt ein Substrat 110 bereitgestellt, auf das Substrat 110 eine isolierende Schicht 120 und auf die isolierende Schicht eine leitfähige Schicht 130 aufgebracht. Die leitfähige Schicht 130 wird ferner strukturiert, um zwei Elektroden 131, 132, (nicht dargestellte) Leiterbahnen und Teilbereiche 133, 135 auszubilden. Nachfolgend wird eine erste Opferschicht 121 auf die Schichten 120, 130 aufgebracht sowie strukturiert, um die leitfähige Schicht 130 an vorgegebenen Bereichen freizulegen.
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Hieran anschließend wird eine weitere leitfähige Schicht auf der Opferschicht 121 ausgebildet sowie strukturiert, um (an jeder Seite der späteren Wippenstruktur 160 jeweils) in der Mitte eine federnde Gegenstruktur 146 (37) und an den Rändern jeweils eine plattenförmige Gegenstruktur 147 (38) auszubilden. Des Weiteren wird wie in 38 dargestellt lediglich an den Rändern eine die Gegenstrukturen 147 bedeckende weitere Opferschicht 123 ausgebildet, was durch Aufbringen und nachfolgendes Strukturieren der Opferschicht 123 durchgeführt wird. Hieran anschließend wird eine weitere Opferschicht 122 ausgebildet sowie ein Strukturierungsprozess durchgeführt, um die Gegenstrukturen 146, 147 und die Teilbereiche 133, 135 wie in den 39 und 40 dargestellt an vorgegebenen Stellen freizulegen.
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Nachfolgend wird wie in den 41 und 42 dargestellt eine Funktionsschicht 150 auf die Opferschicht 122 sowie auf die unbedeckten Bereiche der Gegenstrukturen 146, 147 und der leitfähigen Schicht 130 aufgebracht. Die Funktionsschicht 150 wird ferner strukturiert, um eine Wippenstruktur 160 mit Hebelarmen 161, 162, eine Trägerstruktur 167, (an der Seite der Hebelarme 161, 162 jeweils) eine Anschlagsstruktur 180, und einen Abschnitt 151 und ein Kontaktelement 152 auszubilden. Eine Anschlagsstruktur 180 umfasst hierbei in der Mitte einen oberhalb der federnden Gegenstruktur 146 angeordneten Begrenzungsabschnitt 188 (41), und an den Rändern oberhalb der Gegenstrukturen 147 angeordnete Begrenzungsabschnitte 187 (42). Durch das Aufbringen der Funktionsschicht 150 werden ferner an den zuvor freigelegten Stellen der Gegenstrukturen 146, 147 und der leitfähigen Schicht 130 Stützelemente 169, 181 der Trägerstruktur 167 und der Anschlagsstruktur 180 und (an jedem Hebelarm 161, 162) mit den Gegenstrukturen 146, 147 verbundene Verbindungselemente 174 erzeugt. Anschließend wird ein Ätzmedium oder Ätzgas durch die strukturierte Funktionsschicht 150 an die Opferschichten 121, 122, 123 und an die isolierende Schicht 120 herangeführt, wodurch die betreffenden Schichten 120, 121, 122, 123 (teilweise) entfernt werden, und infolgedessen das in den 43 und 44 dargestellte Funktionssubstrat 101 im Wesentlichen fertig gestellt ist.
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Bei dem in den 37 bis 44 dargestellten Verfahren wird der Abstand an den Rändern zwischen den Begrenzungsabschnitten 187 der Anschlagsstruktur 180 und den Gegenstrukturen 147 über die Opferschichten 122, 123, und der Abstand in der Mitte zwischen dem Begrenzungsabschnitt 188 und der federnden Gegenstruktur 146 über die Opferschicht 122 eingestellt. Aufgrund der an den Rändern zusätzlich eingesetzten Opferschicht 123 weisen die Begrenzungsabschnitte 187 daher einen größeren Abstand zu den Gegenstrukturen 147 auf als der Begrenzungsabschnitt 188 zu der Gegenstruktur 146. Durch diese Ausgestaltung wird erzielt, dass bei einer Auslenkung eines Hebelarms 161, 162 der Wippenstruktur 160 in einer Richtung weg von dem Substrat 110 zuerst die federnde Gegenstruktur 146 in einen Berührkontakt mit einem Begrenzungsabschnitt 188 tritt, und erst bei einer weiteren Auslenkung des betreffenden Hebelarms 161 weg von dem Substrat 110 Gegenstrukturen 147 an Begrenzungsabschnitten 187 „hart” anschlagen.
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Auch in dieser Ausgestaltung liegen die Begrenzungsabschnitte 187, 188 einer Anschlagsstruktur 180 (im Wesentlichen) in einer Ebene mit der Wippenstruktur 160. Zwar liegt die Unterseite 211 eines in der Mitte vorgesehenen Begrenzungsabschnitts 187 hierbei aufgrund des Einsatzes der zusätzlichen Opferschicht 123 nicht unmittelbar in einer Ebene mit der Unterseite 210 der Wippenstruktur 160 (vgl. 44), jedoch ist diese Eigenschaft bei Verwendung einer im Vergleich zur Funktionsschicht 150 (Schichtdicke in einem Bereich von beispielsweise zehn bis zwanzig Mikrometern) relativ „flachen” Opferschicht 123 (Schichtdicke in einem Bereich von beispielsweise einem Mikrometer) im Wesentlichen erfüllt.
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Anhand der Aufsichtsdarstellung von 45 wird ferner eine beispielhafte Ausgestaltung der in der Mitte angeordneten federnden Gegenstruktur 146 deutlich. Die dargestellte Gegenstruktur 146 weist unterhalb des zugehörigen Begrenzungsabschnitts 188 der Anschlagsstruktur 180 einen plattenförmigen Abschnitt auf, und seitlich von dem plattenförmigen Abschnitt zwei U-förmige Abschnitte, welche mit ihren äußeren (d. h. einer Gegenstruktur 147 gegenüberliegenden) Schenkeln mit der Wippenstruktur 160 (über ein Verbindungselement 174) verbunden sind. Beim Anschlagen berührt lediglich der plattenförmige Abschnitt der Gegenstruktur 146 den Begrenzungsabschnitt 188, wohingegen die U-förmigen Abschnitte an dem Begrenzungsabschnitt 188 vorbeibewegt werden können.
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Ein „gestaffeltes” Anschlagen kann auch mithilfe von Anschlags- und Gegenstrukturen verwirklicht werden, welche eine gegenüber den Anschlags- und Gegenstrukturen 146, 147, 187, 188 andere Ausgestaltung und Form aufweisen. Eine weitere mögliche Ausgestaltung besteht beispielsweise darin, „umgekehrt” zu dem anhand der 37 bis 46 beschriebenen Funktionssubstrat 101 federnde Gegenstrukturen am Rand einer Wippenstruktur, und eine Gegenstruktur zum „harten” Anschlagen in der Mitte der Wippenstruktur vorzusehen.
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Die 47 bis 49 zeigen ein weiteres Funktionssubstrat 101 in unterschiedlichen schematischen Schnittdarstellungen entlang von Schnittlinien A-A und B-B sowie in einer Aufsichtsdarstellung, bei dem ein gestaffeltes” Anschlagen ermöglicht wird. Die Wippenstruktur 160 weist hierbei am Rand jedes Hebelarms 161, 162 eine durchgehende Aussparung 165 auf. An der Unterseite der Wippenstruktur 160 sind im Bereich einer Aussparung 165 wie in 49 dargestellt gegenüberliegend angeordnete Grate 175, 176 vorgesehen, welche unterschiedliche Höhen aufweisen. An den größeren und weiter außen angeordneten Graten 175 ist eine plattenförmige Gegenstruktur 175, und an den kleineren und weiter innen angeordneten Graten 176 ist eine federnde Gegenstruktur 149 angeordnet, so dass die federnde Gegenstruktur 149 oberhalb der Gegenstruktur 148 vorgesehen ist.
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An beiden Seiten der Wippenstruktur 160 ist jeweils eine Anschlagsstruktur 180 vorgesehen, deren Begrenzungsabschnitt 182 in einen von der Aussparung 165 umfassten Bereich hineinragt. Bei einer Auslenkung eines Hebelarms 161, 162 in einer Richtung weg von dem Substrat 110 tritt zuerst die federnde Gegenstruktur 149 in einen Berührkontakt mit dem Begrenzungsabschnitt 182. Erst bei einer weiteren Auslenkung des betreffenden Hebelarms 161, 162 weg von dem Substrat 110 erfolgt ein „hartes” Anschlagen an dem Begrenzungsabschnitt 182, wobei hierbei die Gegenstruktur 148 an der Gegenstruktur 149 anliegt.
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Zum Herstellen eines solchen Funktionssubstrats 101 mit zwei übereinander angeordneten Gegenstrukturen 148, 149 können Verfahrensschritte entsprechend dem anhand der 8 bis 13 erläuterten Verfahren durchgeführt werden, wobei bei der Strukturierung der leitfähigen Schicht 130 zusätzlich die Form und Lage der unteren Gegenstruktur 148 festgelegt wird. Durch Einsatz von Opferschichten 121, 122 kann der Abstand zwischen den Gegenstrukturen 148, 149 untereinander, und der Abstand zwischen der oberen Gegenstruktur 149 und dem Begrenzungsabschnitt 182 festgelegt werden. Hierbei werden die eingesetzten Opferschichten 121, 122 ferner derart strukturiert, um die Form der mit den Gegenstrukturen 148, 149 verbundenen Grate 175, 176, welche wiederum aus der Funktionsschicht 150 hervorgehen, festzulegen. Anstelle des in den 47 bis 49 dargestellten Funktionssubstrats 101 kann ein Funktionssubstrat 101 pro „Wippenseite” auch mit einer anderen Anzahl an Aussparungen 165 (einschließlich übereinander angeordneten Gegenstrukturen 148, 149) und eingreifenden Begrenzungsabschnitten 182 verwirklicht werden.
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Die anhand der Figuren erläuterten Bauelemente bzw. Funktionssubstrate 101 sowie die unterschiedlichen Verfahren stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen bzw. Kombinationen von Merkmalen umfassen können. Des Weiteren wird ergänzend darauf hingewiesen, dass die genannten Materialien lediglich als Beispiele anzusehen sind, welche gegebenenfalls durch andere Materialien ersetzt werden können.
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Auch sind die beschriebenen Merkmale nicht auf Bauelemente bzw. deren Funktionssubstrate beschränkt, bei welchen eine seismische Masse in Form einer Wippenstruktur ausgebildet ist, sondern können auch im Hinblick auf Ausführungsformen mit anderen, über Federelemente an einem Substrat aufgehängte seismische Massen (welche senkrecht oder parallel zur Substratebene auslenkbar sind) zum Einsatz kommen. Auch bei derartigen Ausgestaltungen kann eine von der seismischen Masse separate und auf dem gleichen Substrat vorgesehene Anschlagsstruktur mit einem Begrenzungsabschnitt ausgebildet werden, wobei der Begrenzungsabschnitt (im Wesentlichen) in einer Ebene mit der seismischen Masse liegt, um ein definiertes Anschlagen der seismischen Masse zu ermöglichen. Hierbei können die seismische Masse und die zugehörige Anschlagsstruktur ebenfalls aus einer gemeinsamen Funktionsschicht auf dem Substrat ausgebildet werden, und kann ferner eine Opferschichttechnik zum Einstellen eines vorgegebenen Abstands durchgeführt werden.
