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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Feder für einen Inertialsensor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor.
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Stand der Technik
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Die Technologie zur mikrosystemtechnischen Fertigung von Inertialsensoren (z.B. Drehratensensoren) ist sehr weit fortgeschritten und erlaubt ein Design von Strukturen mit sehr engen Toleranzen.
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Um den hohen Ansprüchen an Sensitivität und Robustheit des Drehratensensors gerecht zu werden, verlangt die Korrektur eines Flankenfehlwinkels im MEMS- und ASIC-Design einen hohen Grad an Komplexität und Chipfläche. Unter dem Flankenfehlwinkel versteht man eine Parallelverkippung von Seitenwänden einer Federstruktur bzw. eine Abweichung der Seitenwände zu einer Oberflächennormalen. Der Flankenfehlwinkel stellt einen kritischen Fehler (Parallelogrammfehler) dar, der sich hauptsächlich in der sogenannten „Quadratur“ auswirkt, die nachteilig ein durch den Antrieb des Drehratensensors eingekoppeltes Fehlsignal in die Detektion bewirkt. Das Fehlsignal kommt dabei durch eine von einer Coriolis-Kraft bewirkten Bewegung von Teilstrukturen der seismischen Masse zustande. Eine Kompensation der genannten Fehlsignale ist nur mit großem schaltungstechnischem Aufwand, z.B. mittels Bereitstellung von elektrischen Spannungen am ASIC möglich.
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DE 10 2012 218 845 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und ein mikromechanisches Bauteil. Dabei wird ein zumindest teilweises Herausstrukturieren mindestens einer Struktur aus zunächst einer monokristallinen Siliziumschicht durch zumindest Ausführen eines kristallorientierungs-abhängigen Ätzschritts an einer Oberfläche der Siliziumschicht bei einer vorliegenden 110-Oberflächenorientierung der Siliziumschicht durchgeführt, wobei zum zumindest teilweise Herausstrukturieren der mindestens einen Struktur zusätzlich mindestens ein kristallorientierungs-unabhängiger Ätzschritt an der Oberseite des Siliziumschicht bei der vorliegenden 110-Oberflächenorientierung der Siliziumschicht ausgeführt wird.
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Mikromechanische Sensoren werden immer kleiner und leistungsfähiger, wodurch mittels Plasmaätzen hergestellte Federelemente die hohen Anforderungen nicht mehr erfüllen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte mikromechanische Feder für einen Inertialsensor bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor aufweisend: Segmente eines monokristallinen Grundmaterials, wobei die Segmente bezogen auf eine Schwingungsebene der Feder und normal zur Schwingungsebene der Feder rechtwinklig zueinander angeordnete Oberflächen aufweisen, wobei die Segmente in einem kristallrichtungsabhängigen Ätzprozess hergestellt sind und normal zur Schwingungsebene jeweils zwei unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder eine definierte Anzahl von definiert angeordneten Segmenten aufweist.
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Auf diese Weise wird ein an sich bekannter Fertigungsprozess zur Herstellung von Segmenten für die mikromechanische Feder verwendet. Der kristallrichtungsabhängige Ätzprozess bewirkt in der Schwingungsebene und normal dazu sehr exakt senkrecht zueinander ausgebildete Seitenwände, wodurch der Quadraturfehler von Inertialsensoren mit den erfindungsgemäßen Federn im Wesentlichen eliminiert ist. Im Ergebnis ist dadurch eine sehr definierte Sensiercharakteristik eines derartigen Inertialsensors unterstützt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor, aufweisend die Schritte:
- – Bereitstellen eines monokristallinen Grundmaterials;
- – Ausbilden von Segmenten im Grundmaterial, wobei mittels eines kristallrichtungsabhängigen Ätzprozesses in den Segmenten bezogen auf eine Schwingungsebene und normal zur Schwingungsebene der Feder zueinander senkrecht angeordnete Oberflächen ausgebildet werden, wobei jedes der Segmente in der Schwingungsebene zwei unterschiedliche Ausrichtungen aufweist; und
- – Approximieren der Feder durch ein definiertes Anordnen einer definierten Anzahl der Segmente.
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Bevorzugte Weiterbildungen der mikromechanischen Feder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der mikromechanischen Feder ist dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial Silizium ist, wobei die Segmente mittels eines nasschemischen Ätzverfahrens mit KOH als Ätzmedium hergestellt sind. Auf diese Weise wird ein in der MEMS-Technologie bewährtes Verfahren zum Herstellen der senkrechten Seitenwände der Federelemente verwendet. Ein Vorteil der nasschemischen Strukturierung sind ein einfacher Aufbau einer Ätzkammer, sowie eine sehr hohe Homogenität einer Ätzrate über den gesamten Wafer. Da es sich um einen Nassätzprozess handelt, entfallen Probleme, wie z.B. das Parallaxenproblem des trockenen Plasmaätzens (engl. deep reactive ion etching, DRIE). Weiterhin kann mit dünneren Maskierungen gearbeitet werden und Ätzstopps und Übergänge sind beim nasschemischen Ätzen besser definiert als beim Trockenätzen. Zudem können Wafer stapelweise prozessiert werden, anstelle eines Einzelwafer-Prozesses beim Plasmaätzen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Feder zeichnet sich dadurch aus, dass das Silizium eine 110-Kristallorientierung aufweist. Es wird also ein derartiges Grundmaterial verwendet, das mittels des nasschemischen Ätzens sehr gut definierte senkrechte Seitenwände erzeugt. Durch die Verwendung einer monokristallinen Schicht liegen wohldefinierte Kristallebenen vor. Diese können durch geeignete nasschemische Ätzverfahren mit extrem hoher Selektivität zueinander geätzt werden, dabei ist die chemische Selektivität der physikalischen Selektivität von trockenem Plasmaätzen weit überlegen. Wird nun eine Siliziumschicht mit einer 110-Oberflächenorientierung verwendet, so liegen die 111-Kristallebenen senkrecht zur 110-Oberfläche. Diese 111-Ebenen werden aufgrund einer hohen Selektivität gegenüber den übrigen Ebenen kaum geätzt, so dass damit senkrechte Seitenwände hergestellt werden können. Der Fehlwinkel in diesem Verfahren wird hauptsächlich durch eine präzise Einstellung der Oberfläche zur 110-Ebene definiert. Fehlwinkel sind vorteilhaft kleiner als ca. 0,01º.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Feder ist dadurch gekennzeichnet, dass die Feder als eine U-, L-, S-, Leiter-, Mäanderfeder oder Kombinationen daraus realisierbar ist. Auf diese Weise ist eine große Designvielfalt der Auslegung der mikromechanischen Feder unterstützt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass eine Gestaltung der Federeinrichtung in einem lithographischen Layout-Prozess erfolgt. Auf diese Weise kann ein gesamtes Design der Feder in einem einzelnen Schritt vorab festgelegt werden, wodurch eine nachfolgende monolithische Prozessierung der Feder ermöglicht wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, bzw. unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind insbesondere zur Verdeutlichung der erfindungswesentlichen Prinzipien gedacht und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt.
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In den Figuren zeigt:
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1a eine Darstellung von Orientierungen im Sinne der vorliegenden Erfindung;
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1b einen Inertialsensor mit einer mikromechanischen Feder;
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2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Feder;
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3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Feder; und
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4 einen Inertialsensor mit einer erfindungsgemäßen Feder.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1a zeigt prinzipiell die Anordnung von 111-Si-Kristalloberflächen, die gemäß einem nasschemischen Ätzvorgang ausgebildet wurden und die im Ergebnis unter einem Winkel von ca. 70° bzw. ca. –40° gegeneinander ausgerichtet sind. Dabei entsprechen die Teilrichtungen den Ausrichtungen der nachfolgend beschriebenen Segmente 10. Zur Verdeutlichung ist in 1a ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, wobei eine x-y-Ebene einer Schwingungsebene der nachfolgend beschriebenen Feder entspricht. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Auswahl der Koordinaten von 1a nur zur Festlegung einer Orientierung im Raum verwendet werden. Ein alternatives Koordinatensystem, in welchem die x-, y- und z-Koordinate entsprechend vertauscht sind, ist daher ebenfalls möglich.
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Aufgrund der oben beschriebenen Prozessierung und der Verwendung der 111-Ebene des Siliziums als Seitenwand der kritischen Federn ergibt sich der Umstand, dass alle kritischen Federstrukturen unter einem Winkel von ca. 70° zueinander ausgerichtet sind. Dies führt dazu, dass solche Federn, wenn sie klassische Federformen haben (z.B. U-, S-, L-, Mäander- oder Leiterfeder), ungünstige Winkel zu den seismischen Massen aufweisen, die an ihnen aufgehängt sind.
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1b zeigt eine derart ungünstige Anordnung eines Inertialsensors 200 mit einer seismischen Masse 20 und Segmenten 10, die gemäß den in 1a beschrieben Orientierungen ausgebildet sind. Die Segmente 10 sind mittels Festanbindungen 30 mit der seismischen Masse 20 fest verbunden. Man erkennt, dass eine Bewegung des Inertialsensors 200 in der Schwingungsebene (x-y-Ebene) ein ungünstiges Schwingungsverhalten realisiert, insbesondere sind mit einem derartigen Inertialsensor 200 keine exakt translatorischen Bewegungen generierbar. Durch die Einschränkung auf Winkel von 70º bzw. 110° können Rotationen in der Ebene um die x- und um die y-Achse nicht mehr orthogonal zueinander gemessen werden. Dies bedeutet, dass für den Fall, dass mit einem derartigen Sensor eine Rotation um nur eine einzelne Achse bestimmt werden soll, grundsätzlich beide Kanäle gemessen und die Rotation zurückgerechnet werden muss.
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Es wird daher vorgeschlagen, Segmente 10 einer Feder 100 zunächst in einem kristallrichtungsabhängigen Ätzprozess auszubilden. Dieser kann vorzugsweise als ein nasschemisches Ätzen mit KOH (Kaliumhydroxid bzw. Ätzkali) als Ätzmedium ausgebildet sein, wobei als Grundmaterial ein monokristallines Silizium mit 110-Orientierung vorgesehen ist. Im Ergebnis werden dadurch die 111-Ebenen des Siliziums im Wesentlichen nicht geätzt, wodurch im Ergebnis bezogen auf die Schwingungsebene und senkrecht dazu sehr exakte senkrecht zueinander ausgebildete Oberflächen des Si-Grundmaterials bereitgestellt werden können. Die genannten 111-Ebenen sind prozesstechnisch bedingt innerhalb der Schwinungsebene ausschließlich in einer ±70º/± 40° Orientierung zueinander angeordnet.
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Danach werden die Federn 100 durch ein Aneinanderreihen von einzelnen Segmenten 10 approximativ ausgebildet. Man erkennt in 2 beispielweise eine derart hergestellte mikromechanische U-Feder, die mittels mehrerer Segmente 10 approximiert wurde. Im Ergebnis ergibt sich aus einer Art Zick-Zack-Struktur der Segmente 10 eine „zusammengesetzte“ mikromechanische Feder 100. 2 zeigt eine derartige Approximation, wobei die approximierten Teilrichtungen eine im Wesentlichen horizontal ausgerichtete U-Feder ergeben.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder 100 aus einzelnen Segmenten 10. Auch hier weisen die einzelnen Segmente 10 ausschließlich zwei Raumrichtungen auf, nämlich –70º und +70º.
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Im Ergebnis kann dadurch eine im Wesentlichen vertikal orientierte U-Feder realisiert werden.
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4 zeigt einen Inertialsensor 200 mit einer seismischen Masse 20 und vier Federn 100, die gegenüber der seismischen Masse 20 im Wesentlichen orthogonal ausgerichtet sind.
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Vorteilhaft kann mit der vorgeschlagenen Approximation der Segmente 10 jede beliebige Orientierung der Federn 100 bezüglich der seismischen Masse 20 realisiert werden. Im Ergebnis ist dadurch aufgrund der Tatsache, dass die Segmente 10 im Wesentlichen keinerlei Flankenfehlwinkel aufweisen, ein sehr gut reproduzierbares und zuverlässiges Sensierverhalten eines mikromechanischen Sensors mit den Federn 100 unterstützt. Insbesondere kann dadurch der Quadraturfehler im Wesentlichen vollständig vermieden bzw. sehr stark reduziert werden, wodurch aufwendige Maßnahmen zu dessen Unterdrückung bzw. Kompensation entfallen können.
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Vorteilhaft lassen sich mit der vorgeschlagenen Approximation jegliche Federstrukturen, wie zum Beispiel U-, L-, S- Leiter-, Mäanderfedern oder Kombinationen derartiger Federn realisieren. Eine große Designfreiheit für die mikromechanischen Federn 100 ist dadurch vorteilhaft unterstützt.
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Vorteilhaft kann mit der Erfindung eine Verbesserung in Richtung robuster Inertialsensoren mit einer reduzierten Komplexität des MEMS- und ASIC-Designs und eine weitere Einschränkung der Toleranzen erreicht werden, was insbesondere mit einer Eliminierung bzw. starken Reduzierung des Flankenfehlwinkels über den gesamten Wafer erreicht wird.
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Vorteilhaft können die einzelnen kristallographisch bedingten Teilausrichtungen (±70º bzw. ±40º) der Segmente 10 prozesstechnisch nahezu beliebig lange ausgebildet werden, beispielsweise von einigen zehn µm bis einigen 100 µm, wodurch sich vorteilhaft eine Vielzahl von Federformen in einem CAD-gestützten Layout-Entwurfsprozess entwerfen lassen. Mit schon bekannten Belichtungs-, Ätz-, und Epitaxieprozessen lassen sich diese Federformen dann technisch realisieren.
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Feder-Masse-Systeme des Drehratensensors werden dabei z.B. durch an sich bekannte anisotrope Mikrostrukturierungstechniken gefertigt. Die dabei entstehenden nahezu senkrechten Seitenwände der Federn spielen für die Bewegung der Schwinger in der Ebene eine entscheidende Rolle. Nur enge Toleranzen erlauben ein kleines Designfenster der Federsteifigkeit, da diese für das horizontale Trägheitsmoment oder horizontale Federsteifigkeit mit der dritten Potenz eingehen. Speziell der Flankenfehlwinkel, also die Parallelverkippung der Seitenwände oder die Abweichung der Seitenwände zu Oberflächennormalen und dabei speziell deren Unterschied ist ein kritischer Fehler (Parallelogrammfehler).
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Zusammenfassend werden mit Federsegmenten mit Oberflächen, die in definierten Richtungen zueinander orientiert sind, beliebige Federstrukturen mit sehr geringer Fehlwinkeltoleranz approximiert. Durch ein in einem Layout durchgeführtes Aneinanderreihen von mehreren Teilstücken lassen sich dadurch über zickzackartige Verläufe der zueinander senkrechten Oberflächen Grundformen in allen beliebigen Richtungen approximieren. Aufgrund der quadraturfreien bzw. stark quadraturreduzierten Strukturen können dadurch leistungsfähige Sensorschaltungen auf kleiner Fläche kostengünstig hergestellt werden.
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Damit können bereits in herkömmlicher Prozessierung entwickelte Designs relativ einfach nachgebaut werden. Ebenso ist natürlich auch für alle neuen Designs eine deutlich höhere Designfreiheit möglich, da man nicht mehr an die ±70º/± 40º Orientierung der Federsegmente gebunden ist.
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Vorgehend wurde insbesondere ein sogenannter OmegaX-Drehratensensor beschrieben, d.h. ein Drehratensensor, dessen seismische Masse in der Ebene (engl. „in-plane“) schwingt, wobei Auslenkungen der Masse außerhalb der Ebene (engl. „out-of-plane“) detektiert werden. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Prinzip aber auch für andere Inertialsensoren mit anderen Sensierprinzipien anwendbar.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausdrucksformen beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit auch vorgehend nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218845 A1 [0004]
