DE102014223314A1

DE102014223314A1 - Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor

Info

Publication number: DE102014223314A1
Application number: DE102014223314.3A
Authority: DE
Inventors: Guenther-Nino-Carlo Ullrich; Andreas Scheurle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US20160139172A1; CN105600736B; KR20160058032A; TWI712798B; TW201625950A; US9970957B2; KR102437521B1; CN105600736A

Abstract

Wippeneinrichtung (100) für einen mikromechanischen Z-Sensor (200), aufweisend: – zwei um eine Torsionsfeder (10) gelagerte Wippenarme (20, 21), die bezogen auf die Torsionsfeder (10) asymmetrisch ausgebildet sind; wobei – die Wippenarme (20, 21) erste Perforationen (30) aufweisen; wobei – wenigstens einer der Wippenarme (20, 21) wenigstens eine Öffnung (32) aufweist, wobei ein Durchmesser der ersten Perforationen (30) definiert kleiner als ein Durchmesser der Öffnung (32) ausgebildet ist; und – wobei in wenigstens einem der Wippenarme (20, 21) eine Kavität (50) zu einer Verbindung der ersten Perforationen (30) mit der wenigstens einen Öffnung (32) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor.
Stand der Technik
Herkömmliche Sensoren zur Messung von physikalischer Beschleunigung weisen üblicherweise eine mikromechanische Struktur aus Silizium (Sensorkern) und eine Auswerteelektronik auf. Sensorkerne, die es ermöglichen, eine Beschleunigung in einer Richtung orthogonal zu einer Hauptebene des Sensorkerns zu messen, werden als Z-Sensoren bezeichnet. Derartige Sensoren werden im Kraftfahrzeugbereich beispielsweise in ESP-Systemen oder im Bereich der Mobiltelefonie benutzt.
Das genannte Sensorprinzip wird beispielsweise in Kapitel 6 der Dissertation „Oberflächenmikromechanik-Sensoren als elektrische Teststrukturen zur Charakterisierung ihrer Herstellungsprozesse“; Maute, Matthias; Universität Tübingen 2003 näher beschrieben.
EP 0 244 581 A1 offenbart einen mikromechanischen Sensor zum Zwecke einer selbsttätigen Auslösung von Insassenschutzvorrichtungen.
EP 0 773 443 B1 offenbart einen mikromechanischen Beschleunigungssensor.
Im Rahmen der so genannten „FP-Funktionalisierung“, die beispielsweise in DE 10 2007 060 878 A1 und DE 10 2009 000 167 A1 offenbart ist, wird für den mikromechanischen Beschleunigungssensor eine Wippe ausgebildet, die nicht nur aus einer einzelnen kompakten Schicht, sondern in zwei unterschiedlichen Siliziumschichten strukturiert ist. Damit können bewegliche “wannenförmige“ Strukturen gebildet werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor mit verbesserten Dämpfungseigenschaften bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor, aufweisend:

– zwei um eine Torsionsfeder gelagerte Wippenarme, die bezogen auf die Torsionsfeder asymmetrisch ausgebildet sind; wobei
– die Wippenarme erste Perforationen aufweisen; wobei
– wenigstens einer der Wippenarme wenigstens eine Öffnung aufweist, wobei ein Durchmesser der ersten Perforationen definiert kleiner als ein Durchmesser der Öffnung ausgebildet ist; und wobei
– in wenigstens einem der Wippenarme eine Kavität zu einer Verbindung der ersten Perforationen mit der wenigstens einen Öffnung ausgebildet ist.

Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Wippeneinrichtung vorteilhaft eine erhöhte Dämpfung aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor, aufweisend die Schritte:

– Ausbilden von zwei asymmetrisch ausgebildeten Wippenarmen;
– Ausbilden von ersten Perforationen in einer dritten Funktionsschicht der Wippenarme;
– Ausbilden von wenigstens einer Öffnung in einer ersten Funktionsschicht von wenigstens einem der Wippenarme; und
– Ausbilden von wenigstens einer Kavität in wenigstens einem der Wippenarme, wodurch die ersten Perforationen und die wenigstens eine Öffnung verbunden werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wippeneinrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Wippeneinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Perforationen eine in einer xy-Ebene der Wippeneinrichtung ausgebildete Fläche von ca. 0,5µm × ca. 2µm und wobei die Öffnung eine in der xy-Ebene der Wippeneinrichtung ausgebildete Fläche von ca. 2µm × ca. 3µm aufweist. Auf diese Weise werden spezifische Abmessungen für die Perforationen und das Sackloch bereitgestellt, die von der verbindenden Kavität sehr gut profitieren.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Wippeneinrichtung sieht vor, dass die ersten Perforationen in einer dritten Funktionsschicht der Wippeneinrichtung ausgebildet sind. Eine prozesstechnisch günstige Herstellung der ersten Perforationen ist auf diese Weise unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Wippeneinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine Öffnung in einer ersten Funktionsschicht der Wippeneinrichtung ausgebildet ist. Prozesstechnisch sind in der ersten Funktionsschicht größere Ausnehmungen als in der dritten Funktionsschicht vorgesehen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Wippeneinrichtung sieht vor, dass die Kavität in einem Wippenarm mit einer ersten Funktionsschicht angeordnet ist. Auf diese Weise ist ausreichend Masse zur Ausbildung der verbindenden Kavität vorhanden.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung oder in den Figuren sowie unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind qualitativ und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Proportionen und Größenordnungen können den Figuren somit nicht entnommen werden.
In den Figuren zeigt:
1 eine herkömmliche Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor in einer Querschnittsansicht;
2 eine vereinfacht dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor;
3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor;
4 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor; und
5 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt stark vereinfacht eine herkömmliche Wippeneinrichtung 100 für einen mikromechanischen Z-Beschleunigungssensor in einer Querschnittsansicht.
In der Schnittansicht ist zu erkennen, dass die Gesamtstruktur der Wippeneinrichtung 100 aus drei Funktionsschichten, nämlich aus einer obenliegenden ersten Funktionsschicht EP, aus einer zwischen der ersten Funktionsschicht EP und einer dritten Funktionsschicht FP angeordneten zweiten Funktionsschicht OK und der untenliegenden dritten Funktionsschicht FP-Schicht, realisiert wird. Die zweite Funktionsschicht OK kann dabei bei Bedarf auch entfallen. Die Wippeneinrichtung 100 weist in den Wippenarmen 20, 21 erste Perforationen 30 auf, die vorzugsweise in der dritten Funktionsschicht FP ausgebildet sind. In der ersten Funktionsschicht EP des Wippenarms 21 sind zweite Perforationen 31 angeordnet, deren Durchmesser größer sind als jener der ersten Perforationen 30.
Eine Größe der Durchgangslöcher der ersten Perforationen 30 bewegt sich in einem Bereich von ca. 0.5µm bis ca. 2µm. Eine Größe der Durchgangslöcher der zweiten Perforationen 31 bewegt sich in einem Bereich von ca. 2µm bis ca. 3µm. Die Unterschiede der genannten Perforationen 30, 31 sind prozessbedingt und können nur begrenzt verändert werden. Sie rühren vor allem daher, dass im Herstellungsprozess darunter liegende Schichten mittels eines Ätzgases weggeätzt werden können. Mittels einer Torsionsfeder 10, die mit einer definierten Steifigkeit ausgebildet ist, ist die Struktur der Wippeneinrichtung 100 an einem Silizium-Substrat 1 dreh- bzw. tordierbar gelagert bzw. an diesem aufgehängt.
Man erkennt, dass Wippenarme 20, 21 aufgrund ungleicher Massenverteilungen bezüglich der Torsionsfeder 10 asymmetrisch ausgebildet sind. Die Asymmetrie kann bei im Wesentlichen gleich langen Wippenarmen 20, 21 (geometrische Symmetrie) durch eine asymmetrische Masseverteilung der Wippenarme 20, 21 beispielsweise durch die obengenannten unterschiedlichen Perforationen 30, 31 der Wippenarme 20, 21 oder durch unterschiedliche Dicken der beiden Wippenarme 20, 21 ausgebildet sein. Die Asymmetrie kann aber zusätzlich oder alternativ auch durch eine Asymmetrie einer Geometrie der beiden Wippenarme 20, 21 (z.B. unterschiedliche Armlängen) erreicht werden.
Als Folge einer orthogonal zu einer Hauptebene der Wippeneinrichtung 100 wirkenden Beschleunigung (vertikale Beschleunigung in z-Richtung) kann die Struktur der Wippeneinrichtung 100 aufgrund der Asymmetrie der beiden Wippenarme 20, 21 um die Torsionsfeder 10 tordieren. Die Wippeneinrichtung 100 wird durch eine elektronische Schaltung (nicht dargestellt) auf einem definierten elektrischen Potential gehalten, unterhalb der Wippeneinrichtung 100 angeordnete feststehende zweite Elektroden (nicht dargestellt), die für Messzwecke verwendet werden, sind auf anderen definierten elektrischen Potentialen gehalten. Erkennbar sind die „wannenförmigen“ Strukturen der Wippenarme 20, 21, wobei oberhalb der wannenförmigen Strukturen feststehende Elektroden 40 angeordnet sind.
Eine Neigungsänderung der Wippeneinrichtung 100 wird mithilfe einer elektronischen Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) durch eine Erfassung und Auswertung von Ladungsänderungen auf den Elektroden detektiert. Auf diese Art kann eine auf den mikromechanischen Z-Sensor 100 wirkende Vertikalbeschleunigung („in z-Richtung“) ermittelt werden.
2 zeigt, dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, im Wippenarm 20 eine Kavität 50 zum Verbinden der ersten Perforation 30 (nicht dargestellt in 2) mit wenigstens einer Öffnung 32 (nicht dargestellt in 2) auszubilden. Die Durchmesser der Öffnungen 32 entsprechen dabei den Durchmessern der Perforationen 31. Vorzugsweise ist die Kavität 50 in einem Wippenarm 20, 21 ausgebildet, in welchem eine erste Funktionsschicht EP mit ausreichend Masse vorhanden ist, damit eine funktionale (mechanische und elektrische) Verbindung der Funktionsschichten FP und EP sichergestellt ist.
3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen ausgebildeten Wippeneinrichtung 100 in Querschnittsansicht. Aufgrund der mittels der Kavität 50 realisierten Verbindung zwischen den ersten Perforationen 30 und den Öffnungen 32 im Wippenarm 20 kann der Wippenarm 20 nunmehr ein im Wesentlichen gleiches Dämpfungsverhalten wie der Wippenarm 21 aufweisen, weil an der Unterseite der Wippeneinrichtung 100 ausschließlich erste Perforationen 30 realisiert sind. Im Ergebnis ist dadurch ein sehr symmetrisches Dämpfungsverhalten der beiden Wippenarme 20, 21 unterstützt.
Zum Herstellen der Kavität 50 werden zunächst die ersten Perforationen 30 in der dritten Funktionsschicht FP der Wippenarme 20, 21 ausgebildet. Danach werden in der ersten Funktionsschicht EP eine oder mehrere Öffnungen 32 ausgebildet. Schließlich wird eine Kavität 50 im Wippenarm 20 derart ausgebildet, dass eine fluidtechnisch durchgängige Verbindung zwischen den ersten Perforationen 30 und den Öffnungen 32 realisiert wird. Im Ergebnis ist dadurch eine im Wesentlichen gleichmäßige Perforierung der Unterseite der gesamten Wippenstruktur in Form der ersten Perforationen 30 erreicht, wodurch ein gleichmäßiges Dämpfungsverhalten der gesamten Wippeneinrichtung 100 erzielt wird.
Die Kavität 50 kann in einer Variante zusätzlich auch im Wippenarm 21 angeordnet sein (nicht dargestellt). Die Kavität 50 kann im Wesentlichen überall dort ausgebildet sein, wo eine erste Funktionsschicht EP mit ausreichend Masse vorhanden ist. Dabei ist auch denkbar, dass in den beiden Wippenarmen 20, 21 jeweils auch mehrere Kavitäten 50 ausgebildet sind (nicht dargestellt).
Vorzugsweise sind die Anzahl bzw. die Positionierung der genannten Perforationen 30, der Öffnungen 32 und der Kavitäten 50 an eine Geometrie bzw. an ein Design der Wippeneinrichtung 100 angepasst. Alle Anzahlen, Dimensionierungen und Anordnungen der genannten Elemente in den Figuren sind daher lediglich als beispielhaft und qualitativ dargestellt anzusehen.
4 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wippeneinrichtung 100 von 3. Man erkennt, dass die Kavität 50 (helle Schraffierung) von Masse (dunkle Schraffierung) ohne Kavität umgeben ist. In diesen Bereichen ist die unterste Funktionsschicht FP mit der obersten Funktionsschicht EP mechanisch und elektrisch verbunden. Bezugsziffer 21a bezeichnet einen Bereich des Wippenarms 21, der die ersten Perforationen 30 aufweist.
5 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt 300 wird ein Ausbilden von zwei asymmetrisch ausgebildeten Wippenarmen 20, 21 durchgeführt.
In einem zweiten Schritt 310 wird ein Ausbilden von ersten Perforationen 30 in einer dritten Funktionsschicht FP der Wippenarme 20, 21 durchgeführt.
In einem dritten Schritt 320 wird ein Ausbilden von wenigstens einer Öffnung 32 in einer ersten Funktionsschicht EP von wenigstens einem der Wippenarme 20, 21 durchgeführt.
Schließlich wird in einem vierten Schritt 330 ein Ausbilden von wenigstens einer Kavität 50 in wenigstens einem der Wippenarme 20, 21 durchgeführt, wodurch die ersten Perforationen 30 und die wenigstens eine Öffnung 32 verbunden werden.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Sensor bereitgestellt, die verbesserte Dämpfungseigenschaften und somit eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Z-Sensors ermöglicht. Die verbesserten Dämpfungseigenschaften rühren daher, dass an der Unterseite der Wippeneinrichtung eine gleichmäßige Perforierungsstruktur geschaffen wird. Mittels einer Verbindungskavität in wenigstens einem der Wippenarme kann dieses Ziel auf technisch einfache Weise realisiert werden.
Vorteilhaft ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Prinzip auf andere Sensortechnologien, beispielsweise auf piezoresistive mikromechanische Beschleunigungssensoren anzuwenden.
Obwohl die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass vielfältige Abwandlungen möglich sind, die vorgehend nicht oder nur teilweise beschrieben wurden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0244581 A1 [0004]
EP 0773443 B1 [0005]
DE 102007060878 A1 [0006]
DE 102009000167 A1 [0006]

Claims

Wippeneinrichtung (100) für einen mikromechanischen Z-Sensor (200), aufweisend: – zwei um eine Torsionsfeder (10) gelagerte Wippenarme (20, 21), die bezogen auf die Torsionsfeder (10) asymmetrisch ausgebildet sind; wobei – die Wippenarme (20, 21) erste Perforationen (30) aufweisen; wobei – wenigstens einer der Wippenarme (20, 21) wenigstens eine Öffnung (32) aufweist, wobei ein Durchmesser der ersten Perforationen (30) definiert kleiner als ein Durchmesser der Öffnung (32) ausgebildet ist; und wobei – in wenigstens einem der Wippenarme (20, 21) eine Kavität (50) zu einer Verbindung der ersten Perforationen (30) mit der wenigstens einen Öffnung (32) ausgebildet ist.
Wippeneinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Perforationen (30) eine in einer xy-Ebene der Wippeneinrichtung (100) ausgebildete Fläche von ca. 0,5 µm × ca. 2 µm und wobei die Öffnung (32) eine in der xy-Ebene der Wippeneinrichtung (100) ausgebildete Fläche von ca. 2 µm × ca. 3 µm aufweist.
Wippeneinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Perforationen (30) in einer dritten Funktionsschicht (FP) der Wippeneinrichtung (100) ausgebildet sind.
Wippeneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diewenigstens eine Öffnung (32) in einer ersten Funktionsschicht (EP) der Wippeneinrichtung (100) ausgebildet ist.
Wippeneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (50) in einem Wippenarm (20, 21) mit einer ersten Funktionsschicht (EP) angeordnet ist.
Mikromechanischer Z-Sensor (200) aufweisend eine Wippeneinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zum Herstellen einer Wippeneinrichtung (100) für einen mikromechanischen Z-Sensor (200), aufweisend die Schritte: – Ausbilden von zwei asymmetrisch ausgebildeten Wippenarmen (20, 21); – Ausbilden von ersten Perforationen (30) in einer dritten Funktionsschicht (FP) der Wippenarme (20, 21); – Ausbilden von wenigstens einer Öffnung (32) in einer ersten Funktionsschicht (EP) von wenigstens einem der Wippenarme (20, 21); und – Ausbilden von wenigstens einer Kavität (50) in wenigstens einem der Wippenarme (20, 21), wodurch die ersten Perforationen (30) und die wenigstens eine Öffnung (32) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ausbilden der Kavität (50) in einem Wippenarm (20, 21) mit einer ersten Funktionsschicht (EP) durchgeführt wird.