DE102015207639A1 - Seismisches Erfassungselement für einen mikromechanischen Sensor - Google Patents

Seismisches Erfassungselement für einen mikromechanischen Sensor Download PDF

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Abstract

Seismisches Erfassungselement (100) für einen mikromechanischen Sensor, aufweisend: – eine erste Funktionsschicht (EP), eine zweite Funktionsschicht (OK) und eine dritte Funktionsschicht (FP), wobei die zweite Funktionsschicht (OK) zwischen der ersten Funktionsschicht (EP) und der dritten Funktionsschicht (FP) angeordnet ist; wobei – in der zweiten Funktionsschicht (OK) eine definierte Anzahl von Kavitäten (50) ausgebildet ist; wobei – zwischen den Kavitäten (50) Verstärkungselemente (60) angeordnet sind, die mit der ersten Funktionsschicht (EP) und mit der dritten Funktionsschicht (FP) fest verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein seismisches Erfassungselement für einen mikromechanischen Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines seismischen Erfassungselements für einen mikromechanischen 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.
  • 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. DE 10 2007 060 878 A1 und DE 10 2009 000 167 A1 offenbaren mikromechanische Systeme, welche nicht nur aus einer einzelnen kompakten Schicht, sondern in zwei unterschiedlichen Siliziumschichten strukturiert sind. Damit können bewegliche “wannenförmige“ Strukturen gebildet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes seismisches Erfassungselement für einen mikromechanischen Sensor bereit zu stellen.
  • Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem seismischen Erfassungselement für einen mikromechanischen Sensor, aufweisend:
    • – eine erste Funktionsschicht, eine zweite Funktionsschicht und eine dritte Funktionsschicht, wobei die zweite Funktionsschicht zwischen der ersten Funktionsschicht und der dritten Funktionsschicht angeordnet ist; wobei
    • – in der zweiten Funktionsschicht eine definierte Anzahl von Kavitäten ausgebildet ist; wobei
    • – zwischen den Kavitäten Verstärkungselemente angeordnet sind, die mit der ersten Funktionsschicht und mit der dritten Funktionsschicht fest verbunden sind.
  • Auf diese Weise kann eine gute Robustheit für das seismische Erfassungselement realisiert werden. Die erste Funktionsschicht und die dritte Funktionsschicht sind durch die Kavitäten der dazwischenliegenden zweiten Funktionsschicht zudem vorteilhaft unabhängig voneinander strukturierbar.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines seismischen Erfassungselements für einen mikromechanischen Sensor, aufweisend die Schritte:
    • – Ausbilden einer dritten Funktionsschicht;
    • – abschnittsweises Ausbilden einer zweiten Funktionsschicht auf der dritten Funktionsschicht; und
    • – Ausbilden einer ersten Funktionsschicht auf der dritten Funktionsschicht und der zweiten Funktionsschicht.
  • Bevorzugte Ausführungsformen des seismischen Erfassungselements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des seismischen Erfassungselements ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionsschicht eine erste Perforation und die dritte Funktionsschicht eine zweite Perforation aufweist. Auf diese Weise ist unterstützt, dass technische Spezifikationen für das seismische Erfassungselement realisiert werden können.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des seismischen Erfassungselements sind dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser der zweiten Perforation definiert kleiner sind als Durchmesser der ersten Perforation, oder dass Durchmesser der zweiten Perforation im Wesentlichen gleich sind wie Durchmesser der ersten Perforation. Eine Vielfalt an Designmöglichkeiten für das seismische Erfassungselement ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des seismischen Erfassungselements zeichnet sich dadurch aus, dass das seismische Erfassungselement als eine asymmetrisch ausgebildete Wippeneinrichtung eines Z-Sensors ausgebildet ist. Dadurch wird eine vorteilhafte technische Anwendung für das seismische Erfassungselements bereitgestellt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des seismischen Erfassungselements sieht vor, dass die Asymmetrie der Wippeneinrichtung als geometrische Asymmetrie und/oder als Massenasymmetrie der Wippeneinrichtung ausgebildet ist. Dadurch können günstige Sensiereigenschaften für einen Z-Sensor bereitgestellt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des seismischen Erfassungselements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten in wenigstens einem der Wippenarme der Wippeneinrichtung ausgebildet sind. Dadurch ist ebenfalls eine hohe Designvielfalt für einen mikromechanischen Z-Sensor unterstützt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des seismischen Erfassungselements sieht vor, dass die Verstärkungselemente wenigstens punktuell mit der ersten und dritten Funktionsschicht verbunden sind. Auch auf diese Weise ist eine Designvielfalt für das seismische Erfassungselement vorteilhaft erhöht.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu ausgeführt.
  • In den Figuren zeigt:
  • 1 ein bekanntes seismisches Erfassungselement für einen mikromechanischen Z-Sensor in einer Querschnittsansicht;
  • 2 ein weiteres bekanntes seismisches Erfassungselement für einen mikromechanischen Z-Sensor in einer Querschnittsansicht;
  • 3 eine Querschnittsansicht des seismischen Erfassungselements von 2 in einem höheren Detaillierungsgrad;
  • 4 eine Querschnittsansicht eines bekannten seismischen Massenelements eines mikromechanischen Z-Sensors;
  • 5 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen seismischen Massenelements für einen mikromechanischen Z-Sensor; und
  • 6 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines seismischen Massenelements für einen mikromechanischen Sensor.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt in einer Querschnittsansicht vereinfacht ein bekanntes seismisches Erfassungselement 100 in Form einer Wippeneinrichtung für einen mikromechanischen Z-Beschleunigungssensor.
  • Es ist zu erkennen, dass die Gesamtstruktur der Wippeneinrichtung 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 ist. Die zweite Funktionsschicht OK kann dabei bei Bedarf auch entfallen. Die beiden Wippenarme 20, 21 weisen eine zweite Perforation 30 auf, die vorzugsweise in der dritten Funktionsschicht FP ausgebildet sein kann. In der ersten Funktionsschicht EP des ersten Wippenarms 20 ist eine erste Perforation 31 ausgebildet, deren Löcher definiert größer sind als Löcher der zweiten Perforation 30.
  • Die zweiten Perforationen 30 der beiden Wippenarme 20, 21 können im Wesentlichen gleich groß oder unterschiedlich groß ausgebildet sein.
  • Eine Größe der Durchgangslöcher der zweiten Perforation 30 liegt vorzugsweise in einem Bereich von ca. 0.5µm bis ca. 2µm. Eine Größe der Durchgangslöcher der ersten Perforation 31 liegt vorzugsweise 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 stammen 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 die Wippenarme 20, 21 bezüglich der Torsionsfeder 10 aufgrund von ungleicher Massenverteilung 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 resultierend aus den obengenannten unterschiedlichen Perforationen 30, 31 der Wippenarme 20, 21 und aus unterschiedlichen Dicken der beiden Wippenarme 20, 21 realisiert sein. Die Asymmetrie kann aber zusätzlich oder alternativ auch durch eine asymmetrische Geometrie (z.B. unterschiedliche Armlängen) der beiden Wippenarme 20, 21 erreicht werden.
  • Als Folge einer orthogonal zu einer Hauptebene der Wippeneinrichtung wirkenden Beschleunigung (vertikale Beschleunigung in z-Richtung) kann die Struktur der Wippeneinrichtung aufgrund der Asymmetrie der beiden Wippenarme 20, 21 um die Torsionsfeder 10 tordieren. Die Wippeneinrichtung wird durch eine elektronische Schaltung (nicht dargestellt) auf einem definierten elektrischen Potential gehalten, wobei unterhalb der Wippeneinrichtung angeordnete feststehende zweite Elektroden (nicht dargestellt), die für Messzwecke verwendet werden, auf anderen definierten elektrischen Potentialen gehalten werden. Erkennbar sind die „wannenförmigen“ Strukturen der Wippenarme 20, 21, wobei oberhalb der wannenförmigen Strukturen feststehende Elektroden 40 angeordnet sind.
  • Eine Neigungsänderung der Wippeneinrichtung wird mithilfe einer elektronischen Auswerteschaltung (beispielsweise ein ASIC, nicht dargestellt) durch eine Erfassung und Auswertung von Ladungsänderungen auf den Elektroden 40 detektiert. Auf diese Art kann eine auf den mikromechanischen Z-Sensor 100 wirkende Vertikalbeschleunigung („in z-Richtung“) ermittelt werden.
  • 2 zeigt, dass für das seismische Erfassungselement 100 vorgesehen sein kann, im ersten Wippenarm 20 eine Kavität 50 auszubilden. Die Kavität 50 kann in jenem Wippenarm 20, 21 ausgebildet sein, in welchem die erste Funktionsschicht EP mit ausreichend Masse vorhanden ist („Masseseite der Wippeneinrichtung“).
  • 3 zeigt in einem höheren Detaillierungsgrad eine Querschnittsansicht des seismischen Erfassungselements 100 von 2. Aufgrund der mittels der Kavität 50 realisierten Verbindung zwischen der zweiten Perforation 30 in der dritten Funktionsschicht FP und der ersten Perforation 31 in der ersten Funktionsschicht EP des ersten Wippenarms 20 kann ein definiertes Dämpfungsverhalten beider Wippenarme 20, 21 realisiert werden.
  • Die Kavität 50 kann in einer Variante zusätzlich auch im zweiten Wippenarm 21 angeordnet sein (nicht dargestellt). Vorzugsweise kann die Kavität 50 überall dort ausgebildet sein, wo die erste Funktionsschicht EP mit ausreichend Masse vorhanden ist. Dabei ist in einer weiteren Variante auch denkbar, dass in den beiden Wippenarmen 20, 21 jeweils auch mehrere Kavitäten 50 ausgebildet sind (nicht dargestellt).
  • Vorzugsweise sind eine Anzahl bzw. die Positionierung der genannten Perforationen 30, 31 und der Kavitäten 50 an eine Geometrie und/oder 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 anzusehen.
  • Im ersten Wippenarm 20 und/oder im zweiten Wippenarm 21 kann die Kavität 50 großräumig und großflächig ausgebildet sein. Mithilfe der zweiten Funktionsschicht OK kann dabei die dritte Funktionsschicht FP am Rand der ersten Funktionsschicht EP angebunden sein. Auf diese Weise ist innerhalb der Umrandung die dritte Funktionsschicht FP freitragend und kann entkoppelt von einer Strukturierung der ersten Funktionsschicht EP strukturiert werden.
  • Dadurch entsteht in allen Bereichen der Masse, in denen keine zweite Funktionsschicht OK vorhanden ist, ein Hohlraum bzw. eine Kavität 50 über der dritten Funktionsschicht FP. Dieser Hohlraum ist vor dem Gasphasenätzen mit Oxidmaterial verfüllt und stoppt somit den Trenchprozess der ersten Funktionsschicht EP, so dass die dritte Funktionsschicht FP unabhängig vom Trenchen der ersten Funktionsschicht EP mit Hilfe einer Strukturierungsebene (nicht dargestellt) strukturiert werden kann. Auf diese Weise lassen sich die relativ kleinen Löcher der zweiten Perforation 30 der dritten Funktionsschicht FP mittels der Strukturierungsebene realisieren.
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht durch die bekannte Wippeneinrichtung der 2 und 3. Es ist durch eine ovale Markierung verdeutlicht erkennbar, dass die Kavität 50 dazu führt, dass die dritte Funktionsschicht FP sehr großflächig und quasi „freitragend“ unter der ersten Funktionsschicht EP aufgehängt ausgebildet ist. Die großräumige Kavität 50 kann einen Masseverlust der Wippeneinrichtung in der Größenordnung von ca. fünf Prozent zur Folge haben, was eine Massenasymmetrie der beiden Wippenarme 20, 21 beeinträchtigen und somit eine Empfindlichkeit bzw. Sensitivität der Wippeneinrichtung 100 verschlechtern kann.
  • Um eine Stabilität der genannten freitragenden Flächen zu erhöhen, wird eine Realisierung von Verstärkungselementen 60 vorgeschlagen. Auf diese Weise kann die Stabilität der dritten Funktionsschicht FP vorteilhaft erhöht werden.
  • Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, wie in der Querschnittsansicht von 5 dargestellt, die Kavität 50 im Bereich des ersten Wippenarms 20 der Wippeneinrichtung 100 wenigstens abschnittsweise mittels Verstärkungselementen 60 zu unterteilen, sodass im Ergebnis mehrere Kavitäten 50 mit festen Anbindungen in Form von Verstärkungselementen 60 zwischen der dritten Funktionsschicht FP und der ersten Funktionsschicht EP realisiert werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die dritte Funktionsschicht FP lokal massiv an die Masse der ersten Funktionsschicht EP angebunden wird.
  • Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass ein zwischen der ersten Funktionsschicht EP und der dritten Funktionsschicht FP angeordnetes Oxid (nicht dargestellt) im Laufe des Prozessierens nur partiell entfernt wird, wobei die Kavität 50 nur teilweise mit EP-Polysilizium gefüllt wird, sodass zwischen der ersten Funktionsschicht EP und der dritten Funktionsschicht FP stegartige Verstärkungselemente 60 ausgebildet werden. Im Ergebnis werden dadurch zwischen der ersten Funktionsschicht EP und der dritten Funktionsschicht FP mehrere kleinere Kavitäten 50 gebildet.
  • Dies hat vorteilhaft zur Folge, dass eine mechanische Stabilität bzw. Robustheit der dritten Funktionsschicht FP und damit des gesamten seismischen Erfassungselements 100 erhöht ist, weil die dritte Funktionsschicht FP durch die Verstärkungselemente 60 verstärkt ist. Zudem wird durch die Verstärkungselemente 60 Masse für das seismische Erfassungselement 100 bereitgestellt. Im Falle einer Realisierung des seismischen Erfassungselements 100 als Wippeneinrichtung kann auf diese Weise eine Massenasymmetrie der beiden Wippenarme 20, 21 erhöht sein, wodurch eine Sensitivität der Wippeneinrichtung vorteilhaft erhöht ist. Das Funktionsprinzip des Z-Sensors, das darauf basiert, den ersten Wippenarm 20 so schwer wie möglich und den zweiten Wippenarm 21 so leicht wie möglich auszubilden, ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.
  • Vorzugsweise werden die Verstärkungselemente 60 in y-Richtung verlaufend parallel zur Achse der Torsionsfeder 10 durchgängig über den gesamten ersten Wippenarm 20 ausgebildet. Ein Querschnitt der Verstärkungselemente 60 in der xz-Ebene ist dabei durch den Gasphasen-Ätzprozess bedingt im Wesentlichen rechteckförmig bzw. trapezartig ausgebildet, wobei eine Dimensionierung der Verstärkungselemente 60 typische Werte der Mikromechanik im µm-Bereich aufweisen kann. In einer Variante ist es beispielsweise auch möglich, die Verstärkungselemente 60 nur örtlich begrenzt und partiell, z.B. punktuell über den Bereich eines oder beider Wippenarme 20, 21 auszubilden.
  • 6 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines seismischen Erfassungselements für einen mikromechanischen Sensor.
  • In einem ersten Schritt 200 wird eine dritte Funktionsschicht FP ausgebildet. In einem zweiten Schritt 210 wird ein abschnittsweises Ausbilden einer zweiten Funktionsschicht OK auf der dritten Funktionsschicht FP durchgeführt.
  • In einem Schritt 220 wird eine erste Funktionsschicht EP auf der dritten Funktionsschicht FP und der zweiten Funktionsschicht OK ausgebildet.
  • Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein seismisches Erfassungselement für einen mikromechanischen Sensor und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Erfassungselements bereitgestellt, die eine erhöhte Robustheit und somit verbesserte Gebrauchseigenschaften des mikromechanischen Sensors ermöglichen. Mittels einer spezifisch verstärkten Kavität bzw. mehrerer Kavitäten in einer mittleren Funktionsschicht kann dies auf technisch einfache Weise realisiert werden.
  • Vorteilhaft ist es möglich, das beschriebene Prinzip auch auf andere Sensortechnologien und -topologien, beispielsweise auf piezoresistive mikromechanische Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren 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
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0244581 A1 [0003]
    • EP 0773443 B1 [0004]
    • DE 102007060878 A1 [0004]
    • DE 102009000167 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Seismisches Erfassungselement (100) für einen mikromechanischen Sensor, aufweisend: – eine erste Funktionsschicht (EP), eine zweite Funktionsschicht (OK) und eine dritte Funktionsschicht (FP), wobei die zweite Funktionsschicht (OK) zwischen der ersten Funktionsschicht (EP) und der dritten Funktionsschicht (FP) angeordnet ist; wobei – in der zweiten Funktionsschicht (OK) eine definierte Anzahl von Kavitäten (50) ausgebildet ist; wobei – zwischen den Kavitäten (50) Verstärkungselemente (60) angeordnet sind, die mit der ersten Funktionsschicht (EP) und mit der dritten Funktionsschicht (FP) fest verbunden sind.
  2. Seismisches Erfassungselement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionsschicht (EP) eine erste Perforation (31) und die dritte Funktionsschicht (FP) eine zweite Perforation (30) aufweist.
  3. Seismisches Erfassungselement (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser der zweiten Perforation (30) definiert kleiner sind als Durchmesser der ersten Perforation (31).
  4. Seismisches Erfassungselement (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser der zweiten Perforation (30) im Wesentlichen gleich sind wie Durchmesser der ersten Perforation (31).
  5. Seismisches Erfassungselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das seismische Erfassungselement (100) als eine asymmetrisch ausgebildete Wippeneinrichtung eines Z-Sensors ausgebildet ist.
  6. Seismisches Erfassungselement (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Wippeneinrichtung als geometrische Asymmetrie und/oder als Massenasymmetrie der Wippeneinrichtung ausgebildet ist.
  7. Seismisches Erfassungselement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten (50) in wenigstens einem der Wippenarme der Wippeneinrichtung ausgebildet sind.
  8. Seismisches Erfassungselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (60) wenigstens punktuell mit der ersten und dritten Funktionsschicht (EP, FP) verbunden sind.
  9. Mikromechanischer Sensor aufweisend ein seismisches Erfassungselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Verfahren zum Herstellen eines seismischen Erfassungselements (100) für einen mikromechanischen Sensor, aufweisend die Schritte: – Ausbilden einer dritten Funktionsschicht (FP); – abschnittsweises Ausbilden einer zweiten Funktionsschicht (OK) auf der dritten Funktionsschicht (FP); und – Ausbilden einer ersten Funktionsschicht (EP) auf der dritten Funktionsschicht (FP) und der zweiten Funktionsschicht (OK).
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