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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements.
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Stand der Technik
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Die Offenlegungsschrift
EP 1 640 726 A1 offenbart eine mikroelektromechanische Struktur aus einem Halbleitermaterial.
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Die Offenlegungsschrift
EP 1 879 034 A1 offenbart einen mikroelektromechanischen Inertialsensor.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements anzugeben.
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Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt wird ein mikromechanisches Bauelement bereitgestellt. Das mikromechanische Bauelement umfasst ein Substrat und eine seismische Masse, die an einer ersten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Ferner ist wenigstens eine erste Elektrode zum Erfassen einer Bewegung der seismischen Masse in eine erste Richtung vorgesehen, wobei die erste Elektrode an einer zweiten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Des Weiteren umfasst das Bauelement wenigstens eine zweite Elektrode zum Erfassen einer Bewegung der seismischen Masse in eine von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung, wobei die zweite Elektrode an einer dritten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Es ist vorgesehen, dass die erste Elektrode mittels eines Trägerarms mit der zweiten Aufhängung mechanisch verbunden und beabstandet von der zweiten Aufhängung angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, insbesondere des vorbezeichneten mikromechanischen Bauelements, bereitgestellt. Das Verfahren kann insbesondere als ein mikromechanisches Verfahren, also ein mikromechanisches Herstellungsverfahren, ausgebildet sein. Das Verfahren umfasst insbesondere einen Schritt des Erzeugens einer seismischen Masse auf einem Substrat, wobei die seismische Masse über eine erste Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Ferner wird wenigstens eine erste Elektrode zum Erfassen einer Bewegung der seismischen Masse in eine erste Richtung erzeugt, wobei die erste Elektrode an einer zweiten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Des Weiteren wird wenigstens eine zweite Elektrode zum Erfassen einer Bewegung der seismischen Masse in eine von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung erzeugt, wobei die zweite Elektrode an einer dritten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Es ist vorgesehen, dass die erste Elektrode mit der zweiten Aufhängung mittels eines Trägerarms mechanisch verbunden wird, so dass die erste Elektrode von der zweiten Aufhängung beabstandet angeordnet ist.
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Die Erfindung umfasst also insbesondere den Gedanken, die erste Elektrode von ihrer entsprechenden zweiten Aufhängung beabstandet anzuordnen, wobei als mechanische Verbindung zwischen der zweiten Aufhängung und der ersten Elektrode ein Trägerarm vorgesehen ist, der insofern in vorteilhafter Weise eine mechanische Verbindung der ersten Elektrode zu der zweiten Aufhängung darstellt beziehungsweise bildet. Der Trägerarm wirkt insofern in vorteilhafter Weise als ein Abstandshalter zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Aufhängung. Das heißt also insbesondere, dass die erste Elektrode nicht unmittelbar direkt an der zweiten Aufhängung angeordnet beziehungsweise befestigt oder verankert ist, sondern vielmehr beabstandet von der zweiten Aufhängung angeordnet ist. Der Trägerarm kann insofern insbesondere auch als ein Abstandshalter bezeichnet werden.
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Aufgrund des Vorsehens eines solchen Trägerarms kann die erste Elektrode unabhängig von einer Position der zweiten Aufhängung angeordnet beziehungsweise positioniert werden. In der Regel ist es so, dass je weiter entfernt die erste Elektrode von der ersten Aufhängung der seismischen Masse angeordnet ist, die erste Elektrode umso besser beziehungsweise empfindlicher die Bewegung der seismischen Masse in die erste Richtung detektieren beziehungsweise erfassen kann. Mittels des Trägerarms ist es insofern in vorteilhafter Weise ermöglicht, die erste Elektrode weit entfernt von der ersten Aufhängung anzuordnen. Eine empfindliche Detektion der Bewegung der seismischen Masse in die erste Richtung ist in vorteilhafter Weise ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das mikromechanische Bauelement als ein Beschleunigungssensor, insbesondere als ein mikromechanischer Beschleunigungssensor, gebildet ist. Das heißt also insbesondere, dass ein solches mikromechanisches Bauelement eine auf die seismische Masse bzw. das Substrat wirkende Beschleunigung detektieren beziehungsweise messen oder erfassen kann.
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Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die erste Richtung einer Raumachse des dreidimensionalen Raumes entspricht. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die zweite Richtung einer zweiten Raumachse des dreidimensionalen Raumes entspricht. Ein solch dreidimensionaler Raum kann insbesondere mittels eines kartesischen Koordinatensystems definiert werden. Vorzugsweise kann die erste Richtung der y-Richtung beziehungsweise y-Achse entsprechen. Insbesondere kann die zweite Richtung der x-Achse beziehungsweise x-Richtung des dreidimensionalen Raumes entsprechen.
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In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Aufhängung größer ist als ein Abstand zwischen der ersten Aufhängung und der zweiten Aufhängung. Das heißt also insbesondere, dass die Elektrodenaufhängung und die Masseaufhängung näher zusammenliegen als die erste Elektrode und ihre entsprechende Elektrodenaufhängung. Hier ist es in der Regel so, dass je weiter eine Masseaufhängung, hier also die erste Aufhängung, und eine Elektrodenaufhängung, hier also die zweite Aufhängung, voneinander entfernt angeordnet sind, desto stärker verschieben sich die von der seismischen Masse und von der ersten Elektrode gebildeten Elektrodenflächen zueinander, wenn sich das Substrat verformt. Insbesondere kann es dann zu nachteiligen und unerwünschten Veränderungen eines so genannten Offsets kommen. Ein so genannter Offset bezeichnet hier insbesondere ein Ausgangssignal der ersten Elektrode bei einer Beschleunigung von 0 g. Das heißt also insbesondere, dass die erste Elektrode ein Signal liefert beziehungsweise bereitstellt, obwohl das mikromechanische Bauelement nicht beschleunigt wird. Insbesondere bewegt sich hier die seismische Masse gerade nicht in die erste Richtung. Allein aufgrund der Verformung des Substrats wird dieses Signal der ersten Elektrode erzeugt.
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Dadurch aber, dass gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen ist, dass ein Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Aufhängung größer ist als ein Abstand zwischen der ersten Aufhängung und der zweiten Aufhängung, kann in vorteilhafter Weise ein solches Offset-Signal sehr klein gehalten werden, was in vorteilhafter Weise zu einer zuverlässigeren Beschleunigungsmessung führt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste Aufhängung und die zweite Aufhängung unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind.
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In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass mehrere erste Elektroden vorgesehen sind, wobei die diesen Elektroden zugehörigen zweiten Aufhängungen symmetrisch um die erste Aufhängung angeordnet sind. Durch das Vorsehen von mehreren ersten Elektroden kann in vorteilhafter Weise eine Erfassung beziehungsweise eine Detektion einer Bewegung in die erste Richtung noch empfindlicher durchgeführt werden. Durch das Anordnen der zweiten Aufhängungen symmetrisch um die erste Aufhängung wird in vorteilhafter Weise ein vorhandener Raum effizient ausgenutzt. Insbesondere bewirkt die symmetrische Anordnung ein besonders gleichförmiges Messsignal der ersten Elektroden.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Trägerarm eine Aufzweigung aufweist, so dass voneinander beabstandete Trägerarmzweige gebildet sind, wobei vorzugsweise an den Trägerarmzweigen jeweils zumindest eine erste Elektrode angeordnet ist. Insbesondere können auch mehrere erste Elektroden an entsprechenden Trägerarmzweigen angeordnet sein. Dadurch kann in vorteilhafter Weise mittels eines einzigen Trägerarms mehrere erste Elektroden über einen weiten Bereich verteilt angeordnet werden. Vorzugsweise weist der Trägerarm eine Gabelform auf. Das heißt also insbesondere, dass die Trägerarmzweige entsprechende Zinken der Gabel bilden. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Trägerarmzweige ihrerseits eine oder mehrere Aufzweigungen aufweisen, so dass entsprechende Trägerarmunterzweige gebildet sind, wobei vorzugsweise an den Trägerarmunterzweigen jeweils zumindest eine erste Elektrode angeordnet ist. Die Zinken der Gabel sind vorzugsweise parallel zu einander angeordnet. Vorzugsweise weist der Trägerarm eine rechtwinklige Aufzweigung auf, so dass in vorteilhafter Weise ein rechtwinklig zu dem Trägerarm verlaufender Trägerarmzweig gebildet ist. An diesem Trägerarmzweig können vorzugsweise ein oder mehrere und vorzugsweise rechtwinklig zum Trägerarmzweig verlaufende Trägerarmunterarmzweige gebildet sein. Das heißt also insbesondere, dass der Trägerarmzweig beispielsweise eine oder mehrere rechtwinklige Aufzweigungen aufweisen kann.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode mittels eines weiteren Trägerarms mit der dritten Aufhängung mechanisch verbunden und beabstandet von der dritten Aufhängung angeordnet ist. Die im Zusammenhang mit dem Trägerarm der ersten Elektrode gemachten und noch folgenden Ausführungen gelten analog für den weiteren Trägerarm der zweiten Elektrode.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die seismische Masse eine Aussparung aufweist, innerhalb welcher die erste und die zweite Aufhängung angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist die seismische Masse mittels zwei Torsions-Biegefedern mit der ersten Aufhängung verbunden, wobei die zwei Torsions-Biegefedern jeweils von der ersten Aufhängung zu einander gegenüberliegenden Seiten der Aussparung verlaufen und wobei der Trägerarm in einer Ruheposition der seismischen Masse, in welcher diese nicht ausgelenkt ist, parallel zu den Torsions-Biegefedern angeordnet ist.
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Eine Torsions-Biegefeder im Sinne der vorliegenden Erfindung wirkt insbesondere wie eine Torsionsfeder und wie eine Biegefeder. Vorzugsweise ist die Torsions-Biegefeder als ein Federbalken gebildet. Das Vorsehen von Torsionsbiegefedern weist insbesondere den Vorteil auf, dass je nach Bewegung des Substrats die seismische Masse aufgrund ihrer Trägheit rotativ oder linear in Bezug zu der ersten Aufhängung ausgelenkt wird. Es ist somit in vorteilhafter Weise ermöglicht, mittels einer einzigen seismischen Masse eine Bewegung, insbesondere eine Beschleunigung, des Substrats respektive der seismischen Masse zu erfassen beziehungsweise zu detektieren. Ein entsprechender Beschleunigungssensor kann insofern auch als ein mehrkanaliger Beschleunigungssensor bezeichnet werden, wobei die Kanäle für die x-, y- und z-Richtungen stehen, so dass ein mehrkanaliger Beschleunigungssensor Beschleunigungen in die entsprechenden Richtungen, also x-, y- und/oder z-Richtung, messen beziehungsweise detektieren kann.
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Nach einer anderen Ausführungsform sind die erste und die zweite Aufhängung in einem Zentralbereich der seismischen Masse angeordnet, wobei der Zentralbereich eine maximale Ausdehnung von 60% in eine Richtung bezogen auf eine Ausdehnung der seismischen Masse in diese Richtung aufweist. Das heißt also insbesondere, dass sich der Zentralbereich in eine Richtung nur zu einem gewissen maximalen Prozentsatz, hier 60%, in Bezug zu der Ausdehnung beziehungsweise Erstreckung der seismischen Masse in genau diese Richtung erstreckt. Die maximale Ausdehnung kann 60% oder kleiner betragen. Vorzugsweise kann die maximale Ausdehnung 40%, insbesondere maximal 30% betragen. Der Zentralbereich kann in unterschiedlichen Richtungen vorzugsweise unterschiedliche maximale Ausdehnungen relativ zu der entsprechenden Ausdehnung der seismischen Masse in die entsprechende Richtung aufweisen.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die dritte Aufhängung innerhalb der Aussparung angeordnet ist und insbesondere der weitere Trägerarm senkrecht zu dem Trägerarm angeordnet ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass mehrere erste Elektroden vorgesehen sind, wobei ein Teil der mehreren ersten Elektroden in einer ersten Ebene und der andere Teil der mehreren ersten Elektroden in einer zweiten Ebene befestigt sind, wobei die erste und die zweite Ebene übereinander, vorzugsweise parallel, angeordnet sind. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine differenzielle Auswertung der entsprechenden Elektrodensignale der ersten Elektroden vorgenommen werden. Hierbei wird bei einer Bewegung der seismischen Masse der eine Teil der ersten Elektroden sich entfernen von entsprechenden Gegenelektroden der seismischen Masse, wobei der andere Teil sich den Gegenelektroden der seismischen Masse nähern wird. Es werden also unterschiedliche Elektrodensignale gebildet, welche dann differenziell ausgewertet werden können. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Teil und der andere Teil eine gleiche Anzahl an mehreren ersten Elektroden aufweist. Das heißt also insbesondere, dass die Hälfte der ersten Elektroden in der ersten Ebene und die andere Hälfte der ersten Elektroden in der zweiten Ebene befestigt sind.
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Erste Elektroden im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnen insbesondere Elektroden, welche eine Bewegung der seismischen Masse in die erste Richtung erfassen. Zweite Elektroden im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnen insbesondere Elektroden, welche eine Bewegung der seismischen Masse in die zweite Richtung erfassen. Dritte Elektroden im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnen insbesondere Elektroden, welche eine Bewegung der seismischen Masse in eine dritte Richtung erfassen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die ersten Elektroden, die zweiten Elektroden und/oder die dritten Elektroden mit entsprechenden Gegenelektroden, welche an der seismischen Masse angeordnet sind, zusammenwirken, insofern mittels der ersten Elektroden, der zweiten Elektroden und/oder der dritten Elektroden und den zugehörigen Gegenelektroden der seismischen Masse ein jeweiliger Kondensator gebildet ist, so dass eine Abstandsänderung zwischen der ersten, zweiten und/oder dritten Elektrode und der entsprechenden Gegenelektrode kapazitiv erfasst werden kann. Vorzugsweise verläuft die erste Richtung in Richtung der y-Achse. Insbesondere verläuft die zweite Richtung in Richtung der x-Achse. Beispielsweise verläuft die dritte Richtung in Richtung der z-Achse. Hierbei beziehen sich die x-, y-, und z-Achse insbesondere auf das kartesische x-y-z-Koordinatensystem.
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Nach einer weiteren Ausführungsform können mehrere erste Elektroden vorgesehen sein. Nach einer weiteren Ausführungsform können mehrere zweite Elektroden vorgesehen sein. Nach einer anderen Ausführungsform können mehrere dritte Elektroden vorgesehen sein. Die ersten respektive zweiten respektive dritten Elektroden können jeweils unterschiedlich oder gleich gebildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die ersten, die zweiten und die dritten Elektroden gleich oder unterschiedlich gebildet sind. Ausführungen bezüglich einer der ersten, der zweiten und der dritten Elektroden gelten analog auch für die beiden anderen Elektroden. Das heißt also insbesondere, dass Ausführungen bezüglich der ersten Elektrode analog auch für die zweite und die dritte Elektrode gelten. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die dritten Elektroden mittels eines anderen Trägerarms analog zu dem Trägerarm respektive weiteren Trägerarm mit einer vierten Aufhängung mechanisch verbunden und beabstandet von der vierten Aufhängung angeordnet sind. Die entsprechenden Ausführungen in Bezug zu dem Trägerarm respektive weiteren Trägerarm gelten analog auch für den anderen Trägerarm.
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Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Trägerarm eine Perforation aufweist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise gewährleistet werden, dass während des Herstellungsprozesses ein Ätzmedium, zum Beispiel gasförmiges HF, durch die Perforationen des Trägerarms gelangen und unterhalb des Trägerarms befindliches Opferoxid sicher entfernen kann. Dadurch wird der Trägerarm freitragend ausgebildet und ist von Verformungen des Substrats vorteilhaft entkoppelt. Damit werden die vorgenannten Offset-Fehler minimiert.
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In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Trägerarm starr bzw. steif ist, so dass die erste Elektrode fest mit dem Substrat verbunden ist. Die erste Elektrode kann insofern als eine unbewegliche Elektrode relativ zu den Gegenelektroden der seismischen Masse bezeichnet werden, da diese sich bei einer Auslenkung der seismischen Masse gegenüber der ersten Elektrode bewegen. Entsprechendes gilt analog für die zweite und für die dritte Elektrode.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 ein mikromechanisches Bauelement,
- 2 ein mikromechanisches Bauelement nach dem Stand der Technik,
- 3 ein weiteres mikromechanisches Bauelement,
- 4 ein anderes mikromechanisches Bauelement,
- 5 - 11 jeweils das mikromechanische Bauelement gemäß 4, wobei die einzelnen Elemente sukzessive in den einzelnen Figuren zugefügt werden und
- 12 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements.
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Im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein mikromechanisches Bauelement 101. Der Übersicht halber ist ein kartesisches Koordinatensystem 100 eingezeichnet. Die Papierebene liegt in der x-, y-Ebene. Die z-Richtung ist senkrecht zur Papierebene.
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Das mikromechanische Bauelement 101 umfasst ein Substrat 102, welches in der Papierebene, also der x-, y-Ebene, angeordnet ist. Ferner umfasst das mikromechanische Bauelement 101 eine seismische Masse 103, welche an einer ersten Aufhängung 105 mit dem Substrat 102 verbunden ist. Die seismische Masse 103 weist eine Rechteckform auf. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die seismische Masse 103 eine Quadratform aufweist. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die seismische Masse 103 eine Kreisform oder abgerundete Form aufweist.
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Die erste Aufhängung 105 ist innerhalb einer Aussparung 107 der seismischen Masse 103 angeordnet und mit dem Substrat 102 verbunden.
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Mit dem Substrat 102 verbunden sind vier zweite Aufhängungen 109 gebildet, welche innerhalb der Aussparung 107 und symmetrisch um die erste Aufhängung 105 angeordnet sind. Hierbei bilden die vier zweiten Aufhängungen 109 vier Ecken eines Rechtecks, vorzugsweise eines Quadrats, wobei sich die erste Aufhängung 105 dann insbesondere im Zentrum des Quadrats respektive Rechtecks befindet.
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Von den vier zweiten Aufhängungen 109 verläuft jeweils ein Tragarm 111 in Längsrichtung der Aussparung 107, das heißt also in Richtung der größten Ausdehnung der Aussparung 107. Hier verlaufen die Tragarme 111 parallel zur y-Achse, also parallel zur Längsseite der seismischen Masse 103.
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Die Tragarme 111 weisen jeweils eine Aufzweigung 113 auf, so dass jeweils zwei Tragarmzweige 115a und 115b gebildet sind. Die Tragarme 111 weisen insofern eine Gabelform auf, wobei die Trägerarmzweige 115a und 115b vorzugsweise die Zinken der Gabel bilden können.
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An den Trägerarmzweigen 115a und 115b sind jeweils erste Elektroden 117 angeordnet beziehungsweise befestigt. Den ersten Elektroden 117 gegenüberliegend ist jeweils eine Gegenelektrode 119 gebildet, welche mit der seismischen Masse 103 verbunden ist. Die entsprechenden Elektrodenflächen der ersten Elektroden 117 und der Gegenelektroden 119 bilden insofern in vorteilhafter Weise einen Kondensator, was hier symbolisch mittels eines Kondensatorsymbols mit dem Bezugszeichen 121 gekennzeichnet ist. Eine Abstandsänderung zwischen den entsprechenden Elektrodenflächen, also zwischen den ersten Elektroden 117 und der zugeordneten Gegenelektrode 119, kann somit in vorteilhafter Weise kapazitiv erfasst werden.
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Ferner sind zwei Torsions-Biegefedern 123 vorgesehen, welche parallel zur y-Achse verlaufen, wenn sich die seismische Masse 103 in einer Ruheposition befindet. Das heißt also insbesondere, dass dann die seismische Masse 103 nicht ausgelenkt ist, da keine äußeren Kräfte auf die seismische Masse 103 wirken. Die beiden Torsions-Biegefedern 123 verlaufen diametral entgegengesetzt ausgehend von der ersten Aufhängung 105 zu jeweils einander gegenüberliegenden Seiten der Aussparung 107. Mittels der beiden Torsions-Biegefedern 123 ist somit in vorteilhafter Weise die seismische Masse 103 an der ersten Aufhängung 105 federelastisch aufgehängt.
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Ferner sind vier dritte Aufhängungen 125 vorgesehen, wobei jeweils zwei der vier dritten Aufhängungen 125 jeweils in zwei weiteren Aussparungen 124 angeordnet sind, wobei die zwei weiteren Aussparungen 124 getrennt von der Aussparung 107 gebildet sind.
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Unmittelbar an den dritten Aufhängungen 125, welche mit dem Substrat 102 verbunden sind, ist jeweils eine zweite Elektrode 127 befestigt. Die entsprechenden Elektrodenflächen der zweiten Elektroden 127 und die zugehörigen Elektrodenflächen von hier nicht im Detail gezeigten Gegenelektroden der seismischen Masse 103 bilden analog zu den ersten Elektroden 117 und den Gegenelektroden 119 einen Kondensator, was hier ebenfalls mittels des Kondensatorsymbols 121 gekennzeichnet ist. Insofern kann auch hier eine Abstandsänderung zwischen den zweiten Elektroden 127 und der zugehörigen Gegenelektrode kapazitiv erfasst werden.
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In 1 gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 129 gekennzeichnet, sind dritte Elektroden, welche auf dem Substrat 102 angeordnet sind.
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Bei einer Bewegung oder Beschleunigung des Substrats 102, welche eine Komponente entlang der y-Achse aufweist, werden sich die beiden Torsions-Biegefedern 123 entgegengesetzt auslenken, so dass die seismische Masse 103 eine Rotation in der x-y-Ebene und um eine Achse durchführt, welche senkrecht entlang der z-Richtung durch die erste Aufhängung 105 verläuft. Insofern werden sich dann die Abstände zwischen den ersten Elektroden 117 und den Gegenelektroden 119 ändern, was in vorteilhafter Weise kapazitiv erfasst werden kann. Die ersten Elektroden 117 erfassen insofern in vorteilhafter Weise eine Bewegung beziehungsweise eine Bewegungskomponente des Substrats 102 in eine erste Richtung, das heißt hier der y-Richtung.
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Bei einer Bewegung oder Beschleunigung des Substrats 102, welche eine Komponente in x-Richtung aufweist, werden sich die beiden Torsions-Biegefedern 123 nicht entgegengesetzt, sondern gleichzeitig in die positive x-Richtung oder negative x-Richtung verbiegen, so dass die seismische Masse 103 eine Translationsbewegung in x-Richtung ausführt. Insofern werden sich dann die entsprechenden Abstände zwischen den zweiten Elektroden 127 und den entsprechenden Gegenelektroden an der seismischen Masse 103 ändern, was ebenfalls kapazitiv erfasst werden kann. Insofern erfassen die zweiten Elektroden 127 in vorteilhafter Weise eine Bewegung des Substrats 102 in eine von der ersten Richtung, hier die y-Richtung, verschiedenen zweiten Richtung, hier die x-Richtung.
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Bei einer Bewegung beziehungsweise Beschleunigung des Substrats 102, welche eine Komponente in z-Richtung aufweist, werden sich die Torsions-Biegefedern 123 um die y-Achse verdrehen, so dass dann die seismische Masse 103 aus der Papierebene, also der x-y-Ebene, herauskippt beziehungsweise herauswippt. Eine Abstandsänderung zwischen den dritten Elektroden 129 und entsprechenden Gegenelektroden der seismischen Masse 103 kann dann analog kapazitiv erfasst werden. Insofern erfassen die dritten Elektroden 129 eine Bewegung des Substrats 102 in eine dritte Richtung, welche von der ersten und der zweiten Richtung verschieden ist. Hier ist die dritte Richtung die z-Richtung.
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Allgemein und insbesondere losgelöst von dem vorgenannten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode 117 eine Bewegung, insbesondere eine Beschleunigung, des Substrats 102 erfassen kann, welche eine Komponente in eine erste Richtung, beispielsweise der y-Richtung aufweist. Allgemein und insbesondere losgelöst von dem vorgenannten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode 127 eine Bewegung, insbesondere eine Beschleunigung, des Substrats 102 erfassen kann, welche eine Komponente in eine zweite Richtung, beispielsweise der x-Richtung aufweist. Allgemein und insbesondere losgelöst von dem vorgenannten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die dritte Elektrode 129 eine Bewegung, insbesondere eine Beschleunigung, des Substrats 102 erfassen kann, welche eine Komponente in eine dritte Richtung, beispielsweise der z-Richtung aufweist.
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Das mikromechanische Bauelement 101 kann somit in vorteilhafter Weise mittels einer einzigen seismischen Masse 103 eine Bewegung, vorzugsweise eine Beschleunigung, des Substrats 102 in alle drei Raumrichtungen, also der x-, der y- und der z-Richtung, erfassen. Ein entsprechend ausgebildeter Beschleunigungssensor kann insofern auch als ein mehrkanaliger, hier insbesondere als ein dreikanaliger, Beschleunigungssensor bezeichnet werden. Ein solches mikromechanisches Bauelement 101 kann beispielsweise auch als ein Einmasseschwinger bezeichnet werden, da eine einzige seismische Masse zur Detektion einer Bewegung, insbesondere einer Beschleunigung, des Substrats in allen drei Raumrichtungen verwendet wird.
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Die Translation der seismischen Masse 103 ist hier mittels eines Doppelpfeils mit dem Bezugszeichen 131 dargestellt. Eine Rotation der seismischen Masse 103 um die erste Aufhängung 105 zur Detektion einer Bewegung in die y-Richtung ist hier symbolisch mit einem kreisförmigen Pfeil mit dem Bezugszeichen 133 dargestellt. Ein Verkippen der seismischen Masse 103 zur Detektion einer z-Bewegung des Substrats 102 ist hier symbolisch mit zwei Vektorpfeilsymbolen mit dem Bezugszeichen 135 dargestellt.
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In der Regel ist es so, dass je weiter entfernt die ersten Elektroden 117 von der ersten Aufhängung 105, also von der entsprechenden Rotationsachse, sind, desto größer ist ein entsprechendes Sensorsignal der ersten Elektroden 117.
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Mittels der Trägerarme 111 kann insofern in vorteilhafter Weise eine entsprechende zweite Aufhängung 109 der ersten Elektroden 117 zentral, also in der Nähe der ersten Aufhängung 105, positioniert und gleichzeitig kann zur Sicherstellung eines hinreichend hohen Ausgangssignals beziehungsweise Elektrodensignals die detektierenden Elektrodenflächen in größerer Entfernung, hier der Abstand 118, von der Rotationsachse angeordnet werden. Dadurch lassen sich im Vergleich zum bekannten Design von bekannten mikromechanischen Bauelementen deutlich verbesserte Offset-Eigenschaften erreichen.
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2 zeigt im Vergleich ein mikromechanisches Bauelement 201 nach dem Stand der Technik. Das mikromechanische Bauelement 201 ist teilweise analog aufgebaut zu dem mikromechanischen Bauelement 101. Es werden insofern die gleichen Bezugszeichen verwendet. Es kann ferner auch auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen werden.
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Als ein Unterschied sind die ersten Elektroden 117 des mikromechanischen Bauelements 201 nach dem Stand der Technik in den weiteren Aussparungen 124 weit entfernt von der ersten Aufhängung 105 angeordnet. Hierbei sind die ersten Elektroden 117 direkt und unmittelbar an den zugehörigen zweiten Aufhängungen 109 befestigt, welche ebenfalls innerhalb der weiteren Aussparung 124 angeordnet sind. Das heißt also insbesondere, dass die ersten Elektroden 117 des mikromechanischen Bauelements 201 nach dem Stand der Technik im Vergleich zu dem mikromechanischen Bauelement 101 gemäß
1 weit von der ersten Aufhängung 105 der seismischen Masse 103 entfernt sind. Ein solches mikromechanisches Bauelement 201 gemäß dem Stand der Technik ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 001 442 A1 beschrieben.
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Der Vorteil des mikromechanischen Bauelements 101 gemäß 1 gegenüber dem mikromechanischen Bauelement 201 nach dem Stand der Technik gemäß 2 besteht insbesondere darin, dass ein Ausgangssignal eines entsprechenden Sensors eine vergleichsweise kleinere Empfindlichkeit gegenüber unerwünschten Einflüssen des Package beziehungsweise der Aufbau- und Verbindungs-Technik, beispielsweise eine Stress-induzierte Verformung des Substrats 102 aufgrund von Lötprozessen oder Temperaturänderungen, aufweist. In der Regel ist es so, dass je weiter die erste Aufhängung 105 und die zweite Aufhängung 109 voneinander entfernt sind, desto stärker verschieben sich die von der seismischen Masse 103 und den ersten Elektroden 117 gebildeten Elektrodenflächen zueinander, wenn sich das Substrat 102 verformt. Insbesondere kommt es bei einer solch weit entfernten Anordnung zu unerwünschten Veränderungen des so genannten Offsets, das heißt des Ausgangssignals bzw. Elektrodensignals bei einer Beschleunigung von 0 g.
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Dadurch aber, dass gemäß dem mikromechanischen Bauelement 101 gemäß 1 Trägerarme vorgesehen sind, kann die entsprechende erste Elektrode 117 gleichzeitig zentral aufgehängt werden und gleichzeitig kann die erste Elektrode 117 weit entfernt von einer entsprechenden Rotationsachse, hier der ersten Aufhängung 105, angeordnet werden. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine hinreichende Robustheit eines Sensorausgangssignals gegenüber Package-Einflüssen wie beispielsweise einer Stress-induzierten Verformung des Substrats 102 gewährleistet werden. Insbesondere werden dadurch in vorteilhafter Weise die vorgenannten Offset-Fehler minimiert.
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3 zeigt ein weiteres mikromechanisches Bauelement 301. Analog zu dem mikromechanischen Bauelement 101 gemäß 1 sind auch hier die ersten Elektroden 117 mittels eines jeweiligen Trägerarms 111 mit einer zweiten Aufhängung 109, welche in einem Zentralbereich um die erste Aufhängung 105 angeordnet ist, verbunden. Hierbei weist der Trägerarm 111 eine rechtwinklige Abzweigung 113 auf, so dass ein Trägerarmzweig 115a gebildet ist, an welchem mehrere erste Elektroden 117 wiederum rechtwinklig zu dem Trägerarmzweig 115a angeordnet sind.
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Als Weiterentwicklung zum mikromechanischen Bauelement 101 gemäß 1 sind auch die zweiten Elektroden 127 in dem mikromechanischen Bauelement 301 gemäß 3 mittels eines jeweiligen weiteren Trägerarms 303 mit ihrer zugehörigen dritten Aufhängung 125 verbunden. Hierbei verlaufen die weiteren Trägerarme 303 parallel zur x-Achse und senkrecht zu den Trägerarmen 111. Die zweiten Elektroden 127 sind senkrecht zum weiteren Trägerarm 303 an diesem angeordnet. Somit können also in vorteilhafter Weise auch die zweiten Elektroden 127 zentral aufgehängt werden, aber gleichzeitig auch entfernt von der ersten Aufhängung 105 aufgehängt werden, was in vorteilhafter Weise ein entsprechendes Sensorsignal beziehungsweise Elektrodensignal vergrößert.
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4 zeigt ein anderes mikromechanisches Bauelement 401. Hier ist die eine Hälfte der zweiten Elektroden 127 in einer ersten Funktionsschicht beziehungsweise Ebene angeordnet. Diese zweiten Elektroden werden hier mit dem Bezugszeichen 127a gekennzeichnet. Die andere Hälfte der zweiten Elektroden 127 sind unter Verwendung einer zweiten Funktionsschicht 407, hier gestrichelt dargestellt, über Kontakte 403 und 405 zwischen den beiden Funktionsschichten mit den am Substrat fixierten dritten Aufhängungen 125 verbunden. Hierbei ist die erste Funktionsschicht oberhalb der zweiten Funktionsschicht 407 angeordnet. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise unter Beibehaltung einer zentralen Aufhängung die gleiche Kapazitätsdichte wie für den Stand der Technik erreichen, insofern auf beiden Seiten der Gegenelektrode 119 der seismischen Masse 103 eine zweite Elektrode 127, also 127a respektive 127b, angeordnet ist. Es ist insofern in vorteilhafter Weise eine differenzielle Auswertung der entsprechenden Elektrodensignale in vorteilhafter Weise ermöglicht. Die zweite Funktionsschicht 407, welche in 4 unterhalb der ersten Funktionsschicht liegen kann, wobei die zweite Funktionsschicht 407 in einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel auch oberhalb der ersten Funktionsschicht angeordnet sein kann, wird hier in vorteilhafter Weise als Träger für die zweiten Elektroden 127 verwendet, so dass sich auf beiden Seiten der beweglichen Gegenelektroden 119 zwei differenzielle unbewegliche zweiten Elektroden 127a und 127b anordnen lassen. Es sei hier angemerkt, dass aus Gründen der Einfachheit und Übersichtlichkeit in 4 nur ein Teil der zweiten Funktionsschicht 407 dargestellt ist.
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Aufgrund dieser Anordnung stehen für eine hier nicht gezeigte nachgeschaltete Auswerteschaltung für die zweiten Elektroden 127 zwei gegensinnig veränderliche Detektionskapazitäten zur Verfügung. Dieses Konzept kann vorzugsweise auch für die weiteren Raumrichtungen, also insbesondere für die y- und für die z-Richtung, verwendet werden. Dies ermöglicht also eine differenzielle Signalauswertung mit dem Vorteil eines linearen Ausgangssignals beziehungsweise Elektrodensignals bei gleichzeitig verbesserter Unterdrückung von Schwankungen in einem Herstellungsprozess.
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Dadurch, dass gemäß 4 die eine Hälfte der zweiten Elektroden 127 in einer ersten Funktionsschicht und die zweite Hälfte der zweiten Elektroden 127 in einer zweiten Funktionsschicht 407 angeordnet beziehungsweise befestigt sind, wird in vorteilhafter Weise ein vorhandener Platz beziehungsweise eine vorhandene Fläche effizient ausgenutzt, so dass eine ausreichende Kapazitätsdichte pro Fläche auf einem Sensorchip erreicht werden kann, so dass sich in vorteilhafter Weise die Herstellungskosten für einen solchen Sensorchip verringern.
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In der oberen Funktionsschicht ist insbesondere der weitere Träger 303 mit den zweiten Elektroden 127b angeordnet.
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5 bis 11 zeigen jeweils das mikromechanische Bauelement 401 gemäß 4, wobei die einzelnen Elemente sukzessiv hinzugefügt werden. Der Übersicht halber sind nicht sämtliche Bezugszeichen immer in den einzelnen Figuren eingezeichnet.
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So zeigt 5 lediglich die dritten Elektroden 129 auf dem Substrat 102, welche zur Detektion einer Kippbewegung der seismischen Masse 103 heraus aus der x-y-Ebene verwendet werden, so dass in vorteilhafter Weise eine Bewegung des Substrats 102 in z-Richtung erfasst werden kann.
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6 zeigt dann zusätzlich die seismische Masse 103. Gut zu erkennen sind hier die Gegenelektroden 119 der seismischen Masse 103. Die Gegenelektroden 119 können im Allgemeinen insbesondere auch als bewegliche Elektroden bezeichnet werden, insofern sie sich gemeinsam mit der seismischen Masse 103 bei einer entsprechenden Auslenkung bewegen. Die seismische Masse 103 ist mittels zweier Torsions-Biegefedern 123 an einer ersten Aufhängung 105 federelastisch aufgehängt, wobei die erste Aufhängung 105 mit dem Substrat 102 verbunden ist.
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7 zeigt weitere dritte Elektroden 129a, welche oberhalb der dritten Elektroden und beabstandet zu diesen dritten Elektroden 129 des Substrats 102 und oberhalb von diesen angeordnet sind, wobei diese weiteren dritten Elektroden 129a zur Erfassung einer Kippbewegung aus der x-y-Ebene heraus der seismischen Masse 103 verwendet werden. Insofern ist auch mittels dieser Anordnung eine differenzielle Auswertung der entsprechenden Elektrodensignale bei einer Kippbewegung der seismischen Masse 103 aus der x-y-Ebene heraus ermöglicht.
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8 zeigt die ersten Elektroden 117 mit ihrer entsprechenden Aufhängung mittels eines Trägerarms 111 an einer zweiten Aufhängung 109.
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9 zeigt die zweiten Elektroden 127, hier insbesondere die Elektroden 127a der ersten Hälfte und die Elektroden 127b der zweiten Hälfte in den jeweiligen Funktionsschichten.
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10 zeigt eine Verdrahtung 1001 und Leiterbahnen 1003 zur Kontaktierung der verschiedenen Elektroden, hier insbesondere der ersten 117, zweiten 127 und dritten Elektroden 129.
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11 zeigt, wie die obere Leiterbahnebene 1101 als eine Abschirmung für die darunter liegenden hier nicht im Detail dargestellten Leiterbahnen verwendet werden kann. Mittels dieser Abschirmung 1101 ist insbesondere zum einen eine elektrische Abschirmung in vorteilhafter Weise ermöglicht. Zum anderen ist, insbesondere wenn die Abschirmung flächig über die entsprechenden Leiterbahnen gelegt wird, ein Schutz dieser Leiterbahnen gegen eine zu starke Unterätzung beim Oxidätzen in vorteilhafter Weise ermöglicht. Um Siliziumstrukturen beweglich auszubilden, muss in der Regel ein darunter befindliches Oxid entfernt werden. Dies kann beispielsweise mittels Ätzen mit gasförmigem HF durchgeführt werden. Dabei kann auch das Oxid unterhalb dieser Leiterbahnen angegriffen werden. Da diese Leiterbahnen aber fest mit dem Substrat 102 verbunden bleiben sollen, sonst wären sie aufgrund ihrer geringen Dicke sehr fragil und würden sich zudem stark aufwölben, müssen sie normalerweise in der Regel eine große Breite von mehreren 10 µm aufweisen. Wenn hingegen eine oder mehrere dieser schmalen Leiterbahnen über eine breite Abschirmung geschützt ist, kann das Ätzgas nicht mehr, oder nur mit einer großen Verzögerung, unter die Leiterbahnen gelangen, so dass das darunter liegende Oxid in vorteilhafter Weise weniger bis gar nicht angegriffen wird. Es sind also in vorteilhafter Weise schmalere Leiterbahnen mit entsprechend kleineren Parasitärkapazitäten in vorteilhafter Weise ermöglicht, so dass auf gleicher Fläche mehrere Leiterbahnen parallel untergebracht werden können, um in vorteilhafter Weise noch kleinere Sensorkerne zu konstruieren.
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12 zeigt ein Blockdiagramm 1201 eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, insbesondere zur Herstellung eines der vorgenannten mikromechanischen Bauelemente.
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Gemäß einem Schritt 1203 wird eine seismische Masse auf einem Substrat erzeugt, wobei die seismische Masse über eine erste Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Gemäß einem Schritt 1205 wird wenigstens eine erste Elektrode zum Erfassen einer Bewegung der seismischen Masse in eine erste Richtung erzeugt, wobei die erste Elektrode an einer zweiten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. In einem Schritt 1207 wird wenigstens eine zweite Elektrode zum Erfassen einer Bewegung der seismischen Masse in eine von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung erzeugt, wobei die zweite Elektrode an einer dritten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Gemäß einem Schritt 1209 wird die erste Elektrode mit der zweiten Aufhängung mechanisch mittels eines Trägerarms verbunden, so dass die erste Elektrode von der zweiten Aufhängung beabstandet angeordnet ist.
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Die vorgenannten Schritte 1203, 1205, 1207 und 1209 können insbesondere zeitgleich oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgeführt werden.
