DE102010063471A1

DE102010063471A1 - Mikroelektromechanisches Element für die Verfahren zur Herstellung eines solchen

Info

Publication number: DE102010063471A1
Application number: DE102010063471A
Authority: DE
Inventors: Mirko Hattass; Daniel Christoph Meisel; Marian Keck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: DE102010063471B4; CN102538773A; CN102538773B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Element, umfassend ein Substrat und zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren, wobei das Substrat und die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensorenübereinander gestapelt angeordnet sind und wobei zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren auf derselben Seite des Substrats angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Elementes sowie eine Verwendung eines mikroelektromechanischen Elementes.

Description

Stand der Technik
Mikroelektromechanische Elemente werden auf vielen Gebieten der Technik eingesetzt, unter anderem in der Automobiltechnik. Aus der US 2007214887 A ist beispielsweise ein mikroelektromechanisches Element in Form eines Bewegungssensors bekannt. Der Bewegungssensor umfasst ein Substrat, auf dem ein mikroelektromechanischer Beschleunigungssensor und ein magnetoresistiver Schaltkreis angeordnet sind. Der magnetoresistive Schaltkreis sowie der Beschleunigungssensor befinden sich auf unterschiedlichen Seiten des Substrats. Mittels einer Durchkontaktierung und entsprechenden Kontaktflachen, sogenannten Bondpads, wird eine Kontaktierung des magnetoresistiven Schaltkreises als auch des Beschleunigungssensors bereitgestellt.
Offenbarung der Erfindung
Das in Anspruch 1 definierte mikroelektromechanische Element umfasst ein Substrat und zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren, wobei das Substrat und die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren übereinander gestapelt angeordnet sind und wobei zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren auf derselben Seite des Substrats angeordnet sind.
Das in Anspruch 7 definierte Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Elementes, insbesondere gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–6, umfasst die Schritte Herstellen des Substrats und von zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren in jeweils einer Schicht sowie Anordnen der Schichten übereinander, wobei zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren auf derselben Seite des Substrats angeordnet werden.
Vorteile der Erfindung
Das in Anspruch 1 definierte mikroelektromechanische Element sowie das in Anspruch 7 definierte Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Elements weisen den Vorteil auf, dass damit ein mikroelektromechanisches Element zur Verfügung gestellt wird, welches den Flächenbedarf für die Anordnung von mikroelektromechanischen Sensoren auf einem Substrat wesentlich senkt. Dies erhöht auch die Flexibilität eines solchen mikroelektromechanischen Elementes, da weitere oder eine größere Anzahl von mikroelektromechanischen Sensoren auf dem Substrat angeordnet werden können.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des beschriebenen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist zumindest einer der mikroelektromechanischen Sensoren als ein Drehratensensor oder ein, insbesondere kapazitiv messender, Magnetfeldsensor oder als Beschleunigungssensor ausgebildet. Der erzielte Vorteil dabei ist, damit auf einfache Weise eine Drehrate, eine Beschleunigung oder ein Magnetfeld gleichzeitig gemessen werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest ein dritter mikroelektromechanischer Sensor auf einer den zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren abgewandten Seite des Substrats angeordnet. Auf diese Weise kann die Integrationsdichte der mikroelektromechanischen Sensoren auf dem Substrat durch Anordnung weiterer Sensoren auf der Rückseite des Substrats noch weiter vergrößert werden, was die Kosten insgesamt senkt und die Flexibilität des mikroelektromechanischen Elements erhöht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren mechanisch gekoppelt angeordnet. Auf diese Weise sind feste Frequenzverhältnisse zwischen den beiden mikroelektromechanischen Sensoren möglich, so dass eine Auswerteschaltung die mikroelektromechanischen Sensoren auf einfache Weise ansteuern bzw. deren Signale auswerten kann. Eine mechanische Kopplung kann dabei beispielsweise im Falle eines Magnetfeldsensors und eines Drehratensensors dadurch erfolgen, indem die seismischen Massen des einen mikroelektromechanischen Sensors mit Elektroden des anderen mikroelektromechanischen Sensors oder die jeweiligen seitlichen Aufhängungen miteinander mechanisch federnd mittels eines Federelementes verbunden sind, Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Auswerteschaltung angeordnet, welche Signale der zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren auswertet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit die Integration noch weiter gesteigert werden kann und gleichzeitig eine einfache und kostengünstige Auswertung ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die zumindest eine Auswerteschaltung ausgebildet, um die Signale der mikroelektromechanischen Sensoren gleichzeitig oder zeitlich nacheinanderauszuwerten. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Auswertung von Signalen der mikroelektromechanischen Sensoren möglich. Im Falle einer gleichzeitigen Auswertung wird jedem Sensor eine eigene Auswerteschaltung zugeordnet, im Falle einer Auswertung zeitlich nacheinander, also beispielsweise im Zeitmultiplex, wird in Abhängigkeit von der Zeit jeder Sensor abgefragt bzw. dessen Signale aufgenommen und ausgewertet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die mikroelektromechanischen Sensoren mechanisch miteinander gekoppelt. Auf diese Weise werden feste Frequenzverhältnisse ermöglicht, so dass eine Auswerteschaltung, insbesondere ein ASIC, Signale aller mikroelektromechanischer Sensoren auf besonders einfache Weise auswerten kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1a Prinzipschaubild eines mikroelektromechanischen Elementes gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt.
1b ein mikroelektromechanisches Element gemäß 1a in dreidimensionaler Ansicht.
Ausführungsformen der Erfindung
1a zeigt ein Prinzipschaubild eines mikroelektromechanischen Elementes gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt. In 1a ist eine schematische Darstellung eines mikroelektromechanischen Elementes gezeigt. Das mikroelektromechanische Element umfasst ein Substrat 1. Auf dem Substrat 1, welches im Wesentlichen in einer ersten Ebene oder Schicht 10 angeordnet ist, ist ein Magnetfeldsensor 2 in einer zweiten Schicht 11 angeordnet. Die seismischen Massen 7a, 7b, die mittels Federelementen 6 schwingfähig an Aufhängungen 5 angeordnet sind, werden zur Messung des Magnetfeldes von einem Strom durchflossen. Die seismischen Massen 7a, 7b sind in den 1a und 1b als Elektroden 7a, 7b ausgebildet. Bei Vorliegen eines Magnetfeldes wirkt eine Lorenzkraft auf die Elektroden 7a, 7b, welche zu einer senkrechten Auslenkung der Elektroden 7a, 7b aus der Schicht 11 führen. Diese Auslenkung wird kapazitiv erfasst, beispielsweise mittels Gegenelektroden (nicht gezeigt) unterhalb der Schicht 11, und anhand dieser die Stärke des Magnetfeldes bestimmt.
Darüber ist in einer weiteren Schicht 12 ein Drehratensensor 3 angeordnet. Der Drehratensensor 3 umfasst federnd aufgehängte seismische Massen 8a, 8b, die mit Aufhängungen 5 verbunden sind. Des Weiteren sind die seismischen Massen 8a, 8b über eine Feder 4 miteinander direkt verbunden. Die seismischen Massen 8a, 8b sind hierbei ebenfalls als Elektroden ausgebildet. Wirkt auf den Drehratensensor 3 eine Coriolis-Beschleunigung und/oder eine sonstige Beschleunigung senkrecht zur Schwingungsebene der seismischen Massen 8a, 8b, führt die Trägheitskraft zu einer entsprechenden Auslenkung der seismischen Massen 8a, 8b. Werden die seismischen Massen 8a, 8b zusätzlich mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, kann diese Auslenkung der seismischen Masse 8a, 8b über Elektroden C kapazitiv erfasst werden, welche gemäß 1a oberhalb der seismischen Massen 8a, 8b angeordnet sind. Anhand dieser kapazitiven Änderung kann dann auf die Coriolis-Beschleunigung und/oder eine sonstige Beschleunigung geschlossen werden. Des Weiteren ist eine Auswerteschaltung A auf der anderen Seite des Substrats 1, das heißt zu der den mikroelektromechanischen Sensoren 2, 3 abgewandten Seite des Substrats 1 angeordnet. Die Auswerteschaltung A ist mit den jeweiligen Sensoren 2, 3 verbunden und wertet deren Signale im Zeitmultiplex aus. Selbstverständlich ist es möglich, für jeden mikroelektromechanischen Sensor 2, 3 eine separate Auswerteschaltung vorzusehen, sodass Signale der mikroelektromechanischen Sensoren gleichzeitig ausgewertet werden können.
In 1b ist im Wesentlichen ein mikroelektromechanisches Element gemäß 1a gezeigt. Im Unterschied zur 1a ist nun die Auswerteschaltung auf der gleichen Seite wie die mikroelektromechanischen Sensoren 2, 3 auf dem Substrat 1 angeordnet.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007214887 A [0001]

Claims

Mikroelektromechanisches Element, umfassend ein Substrat (1) und zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren (2, 3), wobei das Substrat (1) und die zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) übereinander gestapelt angeordnet sind und wobei zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren (2, 3) auf derselben Seite des Substrats (1) angeordnet sind.
Mikroelektromechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei zumindest einer der mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) als ein Drehratensensor oder ein, insbesondere kapazitiv messender, Magnetfeldsensor (2) oder als Beschleunigungssensor (3) ausgebildet ist.
Mikroelektromechanisches Element gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–2, wobei zumindest ein dritter mikroelektromechanischer Sensor (2, 3) auf einer den zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) abgewandten Seite des Substrats (1) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches Element gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–3, wobei zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren (2, 3) mechanisch gekoppelt angeordnet sind.
Mikroelektromechanisches Element gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–4, wobei zumindest eine Auswerteschaltung (A) angeordnet ist, welche Signale der zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) auswertet.
Mikroelektromechanisches Element gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–5, wobei die zumindest eine Auswerteschaltung (A) ausgebildet ist, um die Signale der mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) gleichzeitig oder zeitlich nacheinander auszuwerten.
Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen Elementes, insbesondere gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–6, umfassend die Schritte Herstellen des Substrats (1) und von zumindest zwei mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) in jeweils einer Schicht (10, 11, 12) sowie Anordnen der Schichten (10, 11, 12) übereinander, wobei zumindest zwei mikroelektromechanische Sensoren (2, 3) auf derselben Seite des Substrats (1) angeordnet werden
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die mikroelektromechanischen Sensoren (2, 3) mechanisch miteinander gekoppelt werden.
Verwendung eines mikroelektromechanischen Elementes gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–6 zur gleichzeitigen oder zur Messung im Zeitmultiplex einer Beschleunigung, einer Drehrate und/oder eines Magnetfeldes.