DE102016217371B3

DE102016217371B3 - Mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102016217371B3
Application number: DE102016217371.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth; Helmut Grutzeck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-09-14
Also published as: US10246318B2; US20180072560A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem Substrat (10), einer Membran (12), welche eine von einer ersten Seite (10a) des Substrats (10) aus in das Substrat (10) strukturierte Aussparung (14) abdeckt und mittels eines Druckunterschieds zwischen der ersten Seite (10a) des Substrats (10) und einer von der ersten Seite (10a) weg gerichteten zweiten Seite (10b) des Substrats (10) verwölbbar ist, und mindestens einer Aktorelektrode (16), welche zumindest mit der Membran (12) derart verbunden ist, dass die mindestens eine Aktorelektrode (16, 48) mittels einer Verwölbung der Membran (12) in Bezug zu dem Substrat (10) verstellbar ist, wobei die mindestens eine Aktorelektrode (16) mittels der Verwölbung der Membran (12) jeweils entlang einer parallel zu der zweiten Seite (10b) des Substrats (10) ausgerichteten Verstellachse (18) in Bezug zu dem Substrat (10) verstellbar ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil, ein Mikrofon und einen Drucksensor. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der DE 10 2014 200 500 A1 sind eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen derselben beschrieben. Die mikromechanische Drucksensorvorrichtung hat einen Wafer mit einer durch den Wafer strukturierten Öffnung, welche mittels einer aufgespannten Membran so abgedeckt ist, dass die Membran mittels eines Druckunterschieds zwischen einer Vorderseite des Wafers und einer Rückseite des Wafers verwölbar ist. Außerdem ist mindestens eine Aktorelektrode derart mit der Membran und zusätzlich über eine Federeinrichtung derart mit dem Wafer verbunden, dass die mindestens eine Aktorelektrode mittels einer Verwölbung der Membran entgegen einer Federkraft der Federeinrichtung auslenkbar ist. Die Federeinrichtung ist relativ weich ausgebildet und lässt insbesondere Auslenkungen der mindestens einen Aktorelektrode senkrecht zur Ebene des Wafers zu.
Aus der Schrift WO 01/89 986A1 ist ein kapazitives Mikrophon bekannt, bei dem eine akustisch sensitive Platte über einen parallel dazu angeordneten Balken mit einer verbiegbaren Membran verbunden ist. An dieser verbiegbaren Membran sind Elektroden angeordnet, die der Bewegung der Membran folgen und so über eine Kapazitätsänderung ein Maß für die Bewegung der Membran erzeugen.
Aus der Schrift US 6 175 170 B1 ist eine Struktur bekannt, die eine Umlenkung und eine Vervielfachung der Auslenkung eines MEMS-Aktuators beschreibt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Mikrofon mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und einen Drucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, bei welchen eine (senkrecht zu der zweiten Seite des Substrats ausgerichtete) Verwölbung der jeweiligen Membran in eine parallel zu der zweiten Seite des Substrats ausgerichtete Verstellbewegung der mindestens einen jeweiligen Aktorelektrode umgewandelt wird. Wie unten genauer erläutert wird, erlaubt eine derartige Ausbildung von mikromechanischen Bauteilen mittels der vorliegenden Erfindung sehr flächensparende Elektrodenanordnungen (aus der mindestens einen jeweiligen Aktorelektrode und mindestens einer zugeordneten Statorelektrode) zum Detektieren der Verwölbung der jeweiligen Membran. Insbesondere reduziert die vorliegende Erfindung den zum Ausbilden einer Elektrodenanordnung mit einer großen Grundkapazität notwendigen Platz/Raum.
Mittels der vorliegenden Erfindung kann für das jeweilige mikromechanische Bauteil auch eine Elektrodenanordnung eingesetzt werden, bei welcher die mindestens eine jeweilige Aktorelektrode und die mindestens eine zugeordnete Statorelektrode aus der gleichen Halbleiterschicht herausstrukturiert sind. Dies steigert eine Freiheit beim Festlegen von Elektrodenabständen (gegenüber herkömmlichen Elektrodenanordnungen, bei welchen Aktor- und Stator-Elektroden aus verschiedenen Halbleiterschichten strukturiert sind).
Außerdem sind mittels der vorliegenden Erfindung Elektrodenanordnungen realisierbar, bei welchen eine Kapazitätsänderung linear von dem die Verwölbung der Membran bewirkenden Druckunterschied zwischen der ersten Seite des Substrats und der zweiten Seite des Substrats abhängt. Ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauteil kann deshalb zusammen mit einer vergleichsweise kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden Auswerteelektronik in einem Sensor, wie beispielsweise einem Drucksensor, eingesetzt werden. Des Weiteren ist ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauteil relativ resistent gegenüber einer Druck- oder Krafteinwirkung von außen.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Aktorelektrode zumindest über mindestens eine Torsionsfeder, welche mittels der Verwölbung der Membran um jeweils eine Torsionsachse drehbar ist, mit der Membran derart verbunden, dass die mindestens eine Aktorelektrode mittels der Verwölbung der Membran jeweils entlang ihrer parallel zu der zweiten Seite des Substrats ausgerichteten Verstellachse in Bezug zu dem Substrat verstellbar ist. Somit kann ein vergleichsweise einfacher und leicht herstellbarer Federtyp zum Umwandeln der senkrecht zu der zweiten Seite des Substrats ausgerichteten Verwölbung der Membran in die parallel zu der zweiten Seite des Substrats ausgerichtete Verstellbewegung der mindestens einen Aktorelektrode eingesetzt werden.
Beispielsweise kann die mindestens eine Aktorelektrode über je eine erste Torsionsfeder und je eine zweite Torsionsfeder als die mindestens eine Torsionsfeder mit der Membran verbunden sein. Wie unten genauer erläutert ist, erlaubt eine Anbindung der mindestens einen Aktorelektrode über die ihr zugeordneten zwei Torsionsfedern an die Membran ein verlässliches Versetzen der mindestens einen Aktorelektrode in die vorteilhafte parallel zu der zweiten Seite des Substrats ausgerichtete Verstellbewegung.
Vorzugsweise weicht eine erste Höhe der mindestens einen ersten Torsionsachse der mindestens einen ersten Torsionsfeder von der zweiten Seite des Substrats von einer zweiten Höhe der mindestens einen zweiten Torsionsachse der mindestens einen zweiten Torsionsfeder von der zweiten Seite des Substrats ab. Insbesondere kann ein Abstand der mindestens einen ersten Torsionsachse der mindestens einen ersten Torsionsfeder zu der zweiten Torsionsachse ihrer zugeordneten zweiten Torsionsfeder kleiner als eine fünfzehnfache Differenz zwischen der ersten Höhe der jeweiligen ersten Torsionsachse von der zweiten Seite des Substrats und der zweiten Höhe der zweiten Torsionsachse von der zweiten Seite des Substrats sein.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Aktorelektrode jeweils über mindestens eine U-förmige und/oder mäanderförmige Feder derart mit dem Substrat verbunden, dass eine senkrecht zu der zweiten Seite des Substrats ausgerichtete Verstellbewegung der mindestens einen Aktorelektrode mittels der mindestens einen U-förmigen und/oder mäanderförmigen Feder unterbunden ist. In diesem Fall muss kein Freiraum auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der mindestens einen Aktorelektrode vorliegen, was eine Minimierung dieser Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils erleichtert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Aktorelektrode jeweils eine Kammelektrode mit entlang und/oder parallel zu ihrer Verstellachse ausgerichteten Elektrodenfingern. Alternativ kann die mindestens eine Aktorelektrode auch jeweils eine Kammelektrode mit senkrecht zu ihrer Verstellachse ausgerichteten Elektronenfingern sein. In beiden Fällen ist damit ein Elektrodentyp für die mindestens eine Aktorelektrode verwendbar, welcher in der Regel bei einer Verstellbewegung eine lineare Kapazitätsänderung auslöst.
Bevorzugter Weise weist das mikromechanische Bauteil genau zwei Aktorelektroden als die mindestens eine Aktorelektrode auf und die Membran ist von einer Symmetrieebene, bezüglich welcher die zwei Aktorelektroden spiegelsymmetrisch sind, mittig geschnitten. Aufgrund der bei dieser Ausführungsform vorliegenden Spiegelsymmetrie ist ein herkömmliches Risiko eines Verkippens der mindestens einen Aktorelektrode relativ gering.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Mikrofon mit einem entsprechenden mikromechanischen Bauteil gewährleistet.
Auch ein Drucksensor mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil weist die oben beschriebenen Vorteile auf.
Die oben beschriebenen Vorteile sind auch durch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil realisierbar. Es wird darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a und 1b schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 1a eine Draufsicht und 1b einen Querschnitt entlang der Linie AA' der 1a zeigen;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3a bis 3h schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 3a eine Draufsicht, 3b und 3c Querschnitte entlang der Linie AA' der 3a, 3d und 3e Querschnitte entlang der Linie BB' der 3a, 3f einen Querschnitt entlang der Linie CC' der 3a und 3g und 3h Querschnitte entlang der Linie DD' der 3a zeigen; und
4 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
1a und 1b zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 1a eine Draufsicht und 1b einen Querschnitt entlang der Linie AA' der 1a zeigen.
Das in 1a und 1b schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst ein Substrat 10 und eine Membran 12, welche eine von einer ersten Seite 10a des Substrats 10 aus in das Substrat 10 strukturierte Aussparung 14 abdeckt. Die Membran 12 kann beispielsweise ein Außenvolumen des mikromechanischen Bauteils mit einem auf der ersten Seite 10a des Substrats 10 vorliegenden Druck p von einem Innenvolumen des mikromechanischen Bauteils mit einem auf einer (von der ersten Seite 10a weg gerichteten) zweiten Seite 10b des Substrats 10 vorliegenden Referenzdruck p0 (z. B. nahezu Vakuum) abgrenzen. Die Membran 12 ist/wird mittels eines Druckunterschieds zwischen der ersten Seite 10a des Substrats 10 und der zweiten Seite 10b des Substrats 10, z. B. wenn der Druck p im Außenvolumen von dem Differenzdruck p0 im Innenvolumen abweicht, (aus ihrer Ausgangsform) verwölbbar/verwölbt. (Demgegenüber liegt die Membran 12 bei einer Druckgleichheit auf der ersten Seite 10a des Substrats 10 und der zweiten Seite 10b des Substrats 10, z. B. wenn der Druck p im Außenvolumen gleich dem Referenzdruck p0 im Innenvolumen ist, in ihrer Ausgangsform vor.) Unter einer mittels des Druckunterschieds induzierten Verwölbung der Membran 12 können eine Einwölbung der Membran 12 in das Innenvolumen und/oder eine Auswölbung der Membran aus dem Innenvolumen heraus verstanden werden.
Das mikromechanische Bauteil weist auch mindestens eine Aktorelektrode 16 auf, welche zumindest mit der Membran 12 derart verbunden ist, dass die mindestens eine Aktorelektrode 16 mittels der Verwölbung der Membran 12 in Bezug zu dem Substrat 10 jeweils entlang einer parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ausgerichteten Verstellachse 18 in Bezug zu dem Substrat 10 verstellbar ist/verstellt wird. Die mindestens eine Aktorelektrode 16 kann somit mittels der Verwölbung der Membran 12 (direkt) auf mindestens eine erste Statorelektrode 20a zubewegt und/oder (direkt) von mindestens einer zweiten Statorelektrode 20b weg bewegt werden, wobei die mindestens eine erste Statorelektrode 20a und/oder die mindestens eine zweite Statorelektrode 20b mit der mindestens einen Aktorelektrode 16 in einer gemeinsamen Schicht (bzw. Ebene oder Lage) mit parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats ausgerichteten Grenzflächen liegen können.
Die mindestens eine Aktorelektrode 16, die mindestens eine erste Statorelektrode 20a und/oder die mindestens eine zweite Statorelektrode 20b können deshalb aus einer über der zweiten Seite 10b des Substrats 10 gebildeten Halbleiter- und/oder Metallschicht 22 herausstrukturiert sein. Elektrodenabstände zwischen den Elektroden 16, 20a und 20b sind somit relativ frei wählbar. Eine zwischen den Elektroden 16, 20a und 20b vorliegende Grundkapazität kann deshalb vergleichsweise hoch sein. Es wird auch darauf hingewiesen, dass eine Elektrodenanordnung aus den Elektroden 16, 20a und 20b vergleichsweise flächensparend/volumensparend ist.
In der Ausführungsform der 1a und 1b ist die mindestens eine Aktorelektrode 16 jeweils eine Kammelektrode 16 mit senkrecht zu ihrer Verstellachse ausgerichteten Elektrodenfingern. Entsprechend ist auch die mindestens eine erste Statorelektrode 20a und/oder die mindestens eine zweite Statorelektrode 20b jeweils eine Kammelektrode 20a oder 20b mit senkrecht zu der Verstellachse 18 der zugeordneten Aktorelektrode 16 ausgerichteten Elektrodenfingern. Eine Kapazitätsänderung mindestens einer zwischen den Elektroden 16, 20a und 20b vorliegenden Kapazität ist damit proportional zu der Verstellbewegung der mindestens einen Aktorelektrode 16 entlang ihrer Verstellachse 18, proportional zur Verwölbung der Membran 12, und deshalb auch proportional zu einer Druckänderung des Drucks p. Man kann dies auch damit umschreiben, dass eine Druckänderung des Drucks p eine lineare Kapazitätsänderung der mindestens einen zwischen den Elektroden 16, 20a und 20b vorliegenden Kapazität bewirkt.
Ein weiterer Vorteil des mikromechanischen Bauteils der 1a und 1b liegt darin, dass die mittels der Elektroden 16, 20a und 20b realisierte Elektrodenanordnung keine großflächige Anbindung der mindestens einen ersten Statorelektrode 20a und/oder der mindestens einen zweiten Statorelektrode 20b an dem Substrat 10 benötigt. Deshalb ist die mittels der Elektroden 16, 20a und 20b realisierte Elektrodenanordnung auch relativ unempfindlich gegenüber einer äußeren Druck- oder Krafteinwirkung, selbst gegenüber einer Verbiegung des Substrats 10.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Aktorelektrode zumindest über mindestens eine Torsionsfeder 24a und 24b, welche mittels der Verwölbung der Membran 12 um jeweils eine Torsionsachse 26a und 26b drehbar ist, mit der Membran 12 derart verbunden, dass die mindestens eine Aktorelektrode 16 mittels der Verwölbung der Membran 12 jeweils entlang ihrer parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ausgerichteten Verstellachse 18 in Bezug zu dem Substrat 10 verstellbar ist/verstellt wird. Damit kann ein vergleichsweise einfacher und leicht strukturierbarer Federtyp zum Anbinden der mindestens einen Aktorelektrode 16 an die Membran 12 eingesetzt sein.
Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils die mindestens eine Aktorelektrode 16 jeweils über mindestens eine U-förmige und/oder mäanderförmige Feder 28 derart mit dem Substrat 10 verbunden, dass eine senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ausgerichtete Verstellbewegung der mindestens einen Aktorelektrode 16 mittels der mindestens einen U-förmigen und/oder mäanderförmigen Feder 28 unterbunden ist. Ein unerwünschtes Herausdriften der mindestens einen Aktorelektrode 16 aus der von den Elektroden 16, 20a und 20b aufgespannten Schicht (bzw. Ebene oder Lage) mit den parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ausgerichteten Grenzflächen muss somit bei einer Verwölbung der Membran 12 nicht in Kauf genommen werden.
Eine Anbindung der Aktorelektroden 16 an die Membran 12 ist bei dem mikromechanischen Bauteil der 1a und 1b über je eine erste Torsionsfeder 24a und je eine zweite Torsionsfeder 24b (als die mindestens eine Torsionsfeder 24a und 24b) realisiert. Die erste Torsionsfeder 24a kann parallel zu der zugeordneten zweiten Torsionsfeder 24b ausgerichtet sein. Eine erste Torsionsachse 26a der ersten Torsionsfeder 24a ist vorzugsweise parallel zu einer zweiten Torsionsachse 26b der zugeordneten zweiten Torsionsfeder 24b. Außerdem können die Torsionsfedern 24a und 24b (bzw. die Torsionsachsen 26a und 26b der zwei zusammenwirkenden Torsionsfedern 24a und 24b) parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 verlaufen.
Vorteilhafterweise ist die jeweils erste Torsionsfeder 24a so mit der Membran 12 verbunden, dass durch die Verwölbung der Membran 12 eine senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ausgerichtete Kraft auf Enden der jeweiligen ersten Torsionsfeder 24a ausgeübt wird. Die zugeordnete zweite Torsionsfeder 24b ist zwar mit der ersten Torsionsfeder 24a verbunden, kann jedoch aufgrund ihrer Kopplung mit der zugeordneten Aktorelektrode 16 (gehalten von der mindestens einen U-förmigen und/oder mäanderförmigen Feder 28) nicht mit auslenken. Daher tordieren beide Torsionsfedern 24a und 24b um ihre Torsionsachsen 26a und 26b, wodurch die Verwölbbewegung der Membran 12 in die parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ausgerichtete Verstellbewegung der zugeordneten Aktorelektrode 16 umgesetzt wird.
Außerdem hat das mikromechanische Bauteil der 1a und 1b eine Symmetrieebene 30 bezüglich welcher die genau zwei Aktorelektroden 16 des mikromechanischen Bauteils und/oder die Statorelektroden 20a und 20b spiegelsymmetrisch sind. Zusätzlich ist die Membran 12 von der Symmetrieebene 30 mittig geschnitten. Auch eine Gesamt-Federaufhängung der mindestens einen Aktorelektrode 16 aus Torsionsfedern 24a und 24b und U-förmigen und/oder mäanderförmigen Federn 28 kann bezüglich der Symmetrieebene 30 spiegelsymmetrisch sein. Insbesondere können die Torsionsfedern 24a und 24b senkrecht zu der Symmetrieebene 30 verlaufen. Des Weiteren kann die Verstellachse 18 der mindestens einen Aktorelektrode 16 in der Symmetrieebene 30 liegen. Dies gewährleistet eine relativ hohe Verkippfreiheit der mittels der Verwölbung der Membran 12 ausgelösten Verstellbewegungen der genau zwei Aktorelektroden 16 entlang der Verstellachse 18. Als vorteilhafte Weiterbildung können die genau zwei Aktorelektroden 16, die Statorelektroden 20a und 20b, die Torsionsfedern 24a und 24b und/oder die U-förmigen und/oder mäanderförmigen Federn 28 auch bezüglich einer senkrecht zu der Symmetrieebene 30 ausgerichteten und die Membran 12 mittig schneidenden weiteren Symmetrieebene 31 spiegelsymmetrisch ausgebildet sein.
Bei der Ausführungsform der 1a und 1b sind die zwei ersten Torsionsfedern 24a der zwei Aktorelektroden 16 über zwei (parallel zu der Symmetrieebene 30 verlaufende) Stegelemente 32 so aufgespannt, dass die zwei ersten Torsionsfedern 24a und die zwei Stegelemente 32 einen Rahmen 34 bilden. Vorzugsweise ist der Rahmen bezüglich der Symmetrieebene 30 und/oder der weiteren Symmetrieebene 31 spiegelsymmetrisch ausgebildet. Auch dies steigert eine Robustheit des mikromechanischen Bauteils gegenüber einer Verbiegung des Substrats 10.
Der Rahmen 34 umrahmt ein an der Membran 12 befestigtes Sockelelement 36, welches mittels der Verwölbung der Membran 12 in eine senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ausgerichtete Richtung 38 verstellbar ist.
Das Sockelelement 36 ist außerdem zwischen zwei (sich senkrecht zu der Symmetrieebene 30 erstreckende) Verbindungsstege 40 in dem Rahmen 34 eingebunden. Zusätzlich ist jede der ersten Torsionsfedern 24a über je ein (parallel zu der Symmetrieebene 30 verlaufendes) Abstandselement 42 an der zugeordneten zweiten Torsionsfeder 24b angebunden. Die mittels der Verwölbung der Membran 12 ausgelöste Bewegung des Sockelelement 36 in die Richtung 38 löst damit die Torsionen der Torsionsfedern 24a und 24b um die zugeordneten Torsionsachsen 26a und 26b aus. Mittels der Pfeile 44 und der Torsionsachsen 26a und 26b sind die Verstell- und Verbiegebewegungen der Komponenten 16, 24a, 24b und 36 in 1b schematisch wiedergegeben.
Vorzugsweise weicht eine erste Höhe h1 der mindestens einen ersten Torsionsachse 26a der mindestens einen ersten Torsionsfeder 24a von der zweiten Seite 10b des Substrats 10 von einer zweiten Höhe h2 der mindestens einen zweiten Torsionsachse 26b der mindestens einen zweiten Torsionsfeder 24b von der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ab. Ein Umsetzverhältnis einer Umsetzung der Verwölbung der Membran 12 in die Verstellbewegungen der Aktorelektroden 16 wird bestimmt durch ein Verhältnis eines Abstands d der ersten Torsionsfedern 24a/Torsionsachsen 26a zu ihren zugeordneten zweiten Torsionsfedern 24b/Torsionsachsen 26b relativ zu einer Differenz Δ, welche die Differenz Δ zwischen der ersten Höhe h1 der ersten Torsionsfedern 24a/Torsionsachsen 26a (von der zweiten Seite 10b des Substrats 10) und der zweiten Höhe h2 der zweiten Torsionsfedern 24b/Torsionsachsen 26b (von der zweiten Seite 10b des Substrats 10) angibt. Insbesondere kann der Abstand d der mindestens einen ersten Torsionsachse 26a der mindestens einen ersten Torsionsfeder 24a zu der zweiten Torsionsachse 26b ihrer zugeordneten zweiten Torsionsfeder 24b kleiner sein als eine fünfzehnfache Differenz Δ zwischen der ersten Höhe h1 der jeweiligen ersten Torsionsachse 26a (von der zweiten Seite 10b des Substrats 10) und der zweiten Höhe h2 der zweiten Torsionsachse 26b (von der zweiten Seite 10b des Substrats 10). Speziell kann der Abstand d kleiner als die Differenz Δ sein.
Um unterschiedliche Höhen h1 und h2 zu erreichen, können je eine erste Zusatzmasse 46a pro erster Torsionsfeder 24a und/oder je eine zweite Zusatzmasse 46b pro zweiter Torsionsfeder 24b eingesetzt werden. Unter den Zusatzmassen 46a und 46b können quaderförmige Untereinheiten der Torsionsfedern 24a und 24b verstanden werden, welche eine (bei einem Vorliegen der Torsionsfedern 24a und 24b in ihrer Ausgangsform parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats und senkrecht zu der Aufspannrichtung der jeweiligen Torsionsfeder 24a oder 24b ausgerichtete) erste Breite b1 größer als eine zweite Breite b2 von Restbereichen der Torsionsfedern 24a oder 24b aufweisen. Sofern die jeweils erste Zusatzmasse 46a an einer zu dem Substrat 10 ausgerichteten Seite der ersten Torsionsfeder 24a vorliegt, weist die zugeordnete zweite Torsionsfeder 24b ihre zweite Zusatzmasse 46b vorzugsweise an einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite auf. Entsprechend ist, sofern die erste Zusatzmasse 46a an einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der ersten Torsionsfeder 24a vorliegt, die zweite Zusatzmasse 46b an einer zu dem Substrat 10 ausgerichteten Seite der zugeordneten zweiten Torsionsfeder 24b angeordnet. Die mindestens eine erste Torsionsfeder 24a und/oder die mindestens eine zweite Torsionsfeder 24b können somit jeweils als T-förmige Feder ausgebildet sein. (Darunter ist eine Federform zu verstehen, welche einen T-förmigen Querschnitt senkrecht zu einer Aufspannrichtung der jeweiligen Torsionsfeder 24a oder 24b hat.) T-förmige Federn haben eine geringe Torsionssteifigkeit, weisen jedoch gegenüber einer Verbiegung um eine parallel oder senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 ausgerichtete Biegeachse eine hohe Steifigkeit auf.
Die mindestens eine U-förmige und/oder mäanderförmige Feder 28 kann nahe an der Membran 12 an dem Substrat 10 (an mindestens einem Verankerungsbereich 47a) verankert sein. Auch die mindestens eine erste Statorelektrode 20a und/oder die mindestens eine zweite Statorelektrode 20b kann nahe an der Membran 12 an dem Substrat 10 (an mindestens einem Verankerungsbereich 47b) verankert sein. Auf der zweiten Seite 10b des Substrats 10 können außerdem Leiterbahnen 48a, 48b und 48c ausgebildet sein, über welche eine Kontaktierung der Elektroden 16, 20a und 20b realisiert ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von dem mikromechanischen Bauteil der 1a und 1b darin, dass die mindestens eine Aktorelektrode 48 jeweils eine Kammelektrode 48 mit entlang und/oder parallel zu ihrer Verstellachse ausgerichteten Elektrodenfingern ist. Entsprechend weist auch je eine der mindestens einen Aktorelektrode 48 zugeordnete Statorelektrode 50 entlang und/oder parallel zu der Verstellachse 18 der zugeordneten Aktorelektrode 48 ausgerichtete Elektrodenfinger auf.
Ein Verstellen der mindestens einen Aktorelektrode 48 entlang ihrer Verstellachse 18 bewirkt ein „Eintauchen” ihrer Elektrodenfinger in von den Elektrodenfingern der zugeordneten Statorelektrode 50 aufgespannte Zwischenräume. Eine Kapazitätsänderung mindestens einer zwischen den Elektroden 48 und 50 vorliegenden Kapazität ändert sich somit linear mit der Verstellbewegung der mindestens einen Aktorelektrode 48, der Verwölbung der Membran 12, und damit auch mit der Druckänderung des Drucks p. Auch bei einer vergleichsweise großen Auslenkung der mindestens einen Aktorelektrode 48 bleibt die Kapazitätsänderung linear.
Somit ist auch bei dieser Ausführungsform eine sehr einfache und voll differentielle Elektrodenanordnung realisiert, bei welcher die mindestens eine Aktorelektrode 48 und die mindestens eine zugeordnete Statorelektrode 50 aus einer gemeinsamen und auf der zweiten Seite 10b des Substrats 10 gebildeten Halbleiter- und/oder Metallschicht 22 herausstrukturiert sein können. Des Weiteren weist auch diese Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils aufgrund der vergleichsweise kleinflächigen Anbindung der mindestens einen Statorelektrode 50 an das Substrat 10 eine hohe Robustheit gegenüber einer Verbiegung des Substrats 10 auf.
3a bis 3h zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 3a eine Draufsicht, 3b und 3c Querschnitte entlang der Linie AA' der 3a, 3d und 3e Querschnitte entlang der Linie BB' der 3a, 3f einen Querschnitt entlang der Linie CC' der 3a und 3g und 3h Querschnitte entlang der Linie DD' der 3a zeigen.
Bei der Ausführungsform der 3a bis 3h sind die Torsionsfedern 24a und 24b so nahe an der Membran 12 angeordnet, dass eine Projektion der Torsionsfedern 24a und 24b senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 durch die Membran 12 verläuft. Außerdem ist die mindestens eine Statorelektrode 20a und 20b nicht direkt an dem Substrat 10, sondern an mindestens einem in einem Spalt zwischen der zweiten Seite 10b des Substrats 10 und der mindestens einen Statorelektrode 20a und 20b aufgespannten/freistehenden ersten Steg 52a und/oder an mindestens einem auf einer von dem Substrat 10 weg gerichteten Seite der mindestens einen Statorelektrode 20a und 20b aufgespannten/freistehenden zweiten Steg 52b angebunden/gehalten. (Anstelle der in 3f dargestellten „beidseitigen Einspannung” der mindestens einen Statorelektrode 20a und 20b mittels des ersten Stegs 52a und des zweiten Stegs 52b ist auch eine „einseitige Einspannung” möglich.) Eine Verbiegung des Substrats 10 hat somit keine/kaum Auswirkungen auf die Abstände zwischen den Elektroden 16, 20a und 20b.
3g zeigt einen Querschnitt durch die Torsionsfedern 24a und 24b. Die erste Breite b1 der Zusatzmassen 46a und 46b kann so gewählt werden, dass Projektionen der Zusatzmassen 46a und 46b senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 sich überlappen. Außerdem können die ersten Zusatzmassen 46a einstückig mit dem Sockelelement 36 sein. Wie mittels der 3h gezeigt ist, können in einer alternativen Ausführungsform die Restbereiche der Torsionsfedern 24a oder 24b auch in unterschiedlichen Höhen ausgeführt (bzw. aus unterschiedlichen Halbleiter- und/oder Metallschichten) herausstrukturiert sein. Vorzugsweise bildet die Leitung 48a einen bezüglich der Symmetrieachsen 30 und 31 spiegelsymmetrischen „Rahmen”, wodurch das mikromechanische Bauteil verbiegungsresistenter wird.
Bezüglich weiterer Merkmale der Ausführungsform der 3a bis 3h wird auf das mikromechanische Bauteil der 1 verwiesen. Es wird nur nochmals darauf hingewiesen, dass auch bei der Ausführungsform der 3a bis 3h eine Kapazitätsänderung der mindestens einen zwischen den Elektroden 16, 20a und 20b vorliegenden Kapazität proportional zu der Verstellbewegung der mindestens einen Aktorelektrode 16, der Verwölbung der Membran, und damit proportional zu einer Druckänderung des Drucks p ist.
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können z. B. in einem Mikrofon oder in einem Drucksensor vorteilhaft eingesetzt werden. Außerdem können alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile mit einer kostengünstigen Auswerteelektronik, welche die Kapazitätsänderungen in Druckänderungen bezüglich des Drucks p umwandelt, zusammenwirken. Vorzugsweise weisen die Torsionsfedern 24a und 24b parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 eine Steifigkeit auf, welche zumindest höher als 10% der Steifigkeit der Federn 28 parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10, insbesondere zumindest höher als 50% der Steifigkeit der Federn 28 parallel zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10, ist. Eine Aufhängung der mindestens einen Aktorelektrode 16 hat senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10 bevorzugter Weise eine Steifigkeit, welche zumindest höher als 10% der Steifigkeit der Torsionsfedern 24a und 24b senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10, insbesondere zumindest höher als 50% der Steifigkeit der Torsionsfedern 24a und 24b senkrecht zu der zweiten Seite 10b des Substrats 10, ist.
4 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens nicht auf ein Herstellen einer bestimmten Ausführungsform beschränkt ist.
In einem optionalen Verfahrensschritt S1 kann eine Membran, welche eine von einer ersten Seite eines Substrats aus in das Substrat strukturierte Aussparung abdeckt, so gebildet werden, dass die Membran mittels eines Druckunterschieds zwischen der ersten Seite des Substrats und einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite des Substrats verwölbt wird. Als Alternative zu einem Ausführen des Verfahrensschritts S1 kann jedoch auch ein bereits fertiges Substrat mit der entsprechenden Membran für das im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahren verwendet werden.
In einem Verfahrensschritt S2 wird mindestens eine Aktorelektrode derart zumindest an der Membran angebunden, dass die mindestens eine Aktorelektrode mittels einer Verwölbung der Membran in Bezug zu dem Substrat verstellt wird. Dabei wird die mindestens eine Aktorelektrode zumindest an der Membran derart angebunden, dass die mindestens eine Aktorelektrode mittels der Verwölbung der Membran jeweils entlang einer parallel zu der zweiten Seite des Substrats ausgerichteten Verstellachse in Bezug zu dem Substrat verstellt wird. Somit schafft auch ein Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens die oben erläuterten Vorteile.
Als Ausgangsmaterial zum Ausführen der Verfahrensschritte S1 und S2 kann ein Schichtaufbau verwendet werden, wie er in 1b restweise zu erkennen ist: Auf dem Substrat 10, wie z. B. einem Halbleitersubstrat 10 (insbesondere einem Siliziumsubstrat 10), wird (vor oder nach dem Strukturieren der Aussparung 14) zuerst eine (in 1b nicht skizzierte) erste Isolierschicht, wie z. B. eine Siliziumdioxidschicht, gebildet. Dann wird eine erste Halbleiterschicht, insbesondere eine dünne Polysilizium-Schicht, auf der ersten Isolierschicht gebildet. Aus der ersten Halbleiterschicht können (später) die Membran 12 und die Leitungen 48a bis 48c heraus strukturiert werden. Die erste Halbleiterschicht wird zumindest teilweise mit einer (in 1b nicht skizzierten) zweiten Isolierschicht, wie z. B. einer Siliziumdioxidschicht, abgedeckt. Auf der zweiten Isolierschicht wird eine zweite Halbleiterschicht, vorzugsweise eine mittlere polykristalline Siliziumschicht, abgeschieden. Aus der zweiten Halbleiterschicht werden ein Teil des Sockelelements 36, die ersten Stege 52a, die ersten Zusatzmassen 46a und/oder die zweiten Zusatzmassen 46b heraus strukturiert. Eine (in 1b nicht skizzierten) dritte Isolierschicht (z. B. eine Siliziumdioxidschicht) deckt die zweite Halbleiterschicht zumindest teilweise ab. Anschließend wird eine dritte Halbleiterschicht 22, vorzugsweise eine dicke Epi-Polysiliziumschicht, auf der dritten Isolierschicht abgeschieden. Aus der dritten Halbleiterschicht 22 werden (später) die Aktorelektroden 16 oder 48, die Statorelektroden 20a, 20b oder 50, die U-förmigen und/oder mäanderförmigen Federn 28, die Restbereiche der Torsionsfedern 24a und 24b, die Stegelemente 32, ein weiterer Teil des Sockelelements 36 und/oder die Abstandselemente 42 heraus strukturiert. Optionaler Weise kann die dritte Halbleiterschicht 22 zumindest teilweise mit einer (in 1b nicht skizzierten) vierten Isolierschicht (z. B. eine Siliziumdioxidschicht) abgedeckt werden. Anschließend kann eine (in 1b nicht skizzierten) vierte Halbleiterschicht auf der vierten Isolierschicht gebildet werden, aus welcher noch die zweiten Stege 52b, die ersten Zusatzmassen 46a und/oder die zweiten Zusatzmassen 46b heraus strukturiert werden.

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einem Substrat (10); einer Membran (12), welche eine von einer ersten Seite (10a) des Substrats (10) aus in das Substrat (10) strukturierte Aussparung (14) abdeckt und mittels eines Druckunterschieds zwischen der ersten Seite (10a) des Substrats (10) und einer von der ersten Seite (10a) weg gerichteten zweiten Seite (10b) des Substrats (10) verwölbbar ist; und mindestens einer Aktorelektrode (16, 48), welche zumindest mit der Membran (12) derart verbunden ist, dass die mindestens eine Aktorelektrode (16, 48) mittels einer Verwölbung der Membran (12) in Bezug zu dem Substrat (10) verstellbar ist; wobei die mindestens eine Aktorelektrode (16, 48) mittels der Verwölbung der Membran (12) jeweils entlang einer parallel zu der zweiten Seite (10b) des Substrats (10) ausgerichteten Verstellachse (18) in Bezug zu dem Substrat (10) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aktorelektrode (16, 48) zumindest über mindestens eine Torsionsfeder (24a, 24b), welche mittels der Verwölbung der Membran (12) um jeweils eine Torsionsachse (26a, 26b) drehbar ist, mit der Membran (12) derart verbunden ist, dass die mindestens eine Aktorelektrode (16, 48) mittels der Verwölbung der Membran (12) jeweils entlang ihrer parallel zu der zweiten Seite (10b) des Substrats (10) ausgerichteten Verstellachse (18) in Bezug zu dem Substrat (10) verstellbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Aktorelektrode (16, 48) über je eine erste Torsionsfeder (24a) und je eine zweite Torsionsfeder (24b) als die mindestens eine Torsionsfeder (24a, 24b) mit der Membran (12) verbunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei eine erste Höhe (h1) der mindestens einen ersten Torsionsachse (26a) der mindestens einen ersten Torsionsfeder (24a) von der zweiten Seite (10b) des Substrats (10) von einer zweiten Höhe (h2) der mindestens einen zweiten Torsionsachse (26b) der mindestens einen zweiten Torsionsfeder (24b) von der zweiten Seite (10b) des Substrats (10) abweicht, wobei die erste und zweite Torsionsachse (26a, 26b) parallel zur zweiten Seite (10b) des Substrats (10) verlaufen.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3, wobei ein Abstand (d) der mindestens einen ersten Torsionsachse (26a) der mindestens einen ersten Torsionsfeder (24a) zu der zweiten Torsionsachse (26b) ihrer zugeordneten zweiten Torsionsfeder (24b) kleiner ist als eine fünfzehnfache Differenz (Δ) zwischen der ersten Höhe (h1) und der zweiten Höhe (h2), wobei die erste Torsionsachse (26a) und die zweite Torsionsachse (26b) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Aktorelektrode (16, 48) jeweils über mindestens eine U-förmige und/oder mäanderförmige Feder (28) derart mit dem Substrat (10) verbunden ist, dass eine senkrecht zu der zweiten Seite (10b) des Substrats (10) ausgerichtete Verstellbewegung der mindestens einen Aktorelektrode (16, 48) mittels der mindestens einen U-förmigen und/oder mäanderförmigen Feder (28) unterbunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Aktorelektrode (48) jeweils eine Kammelektrode (48) mit entlang und/oder parallel zu ihrer Verstellachse (18) ausgerichteten Elektrodenfingern ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Aktorelektrode (16) jeweils eine Kammelektrode (16) mit senkrecht zu ihrer Verstellachse (18) ausgerichteten Elektrodenfingern ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil genau zwei Aktorelektroden (16, 48) als die mindestens eine Aktorelektrode (16, 48) aufweist und die Membran (12) von einer Symmetrieebene (30), bezüglich welcher die zwei Aktorelektroden (16, 48) spiegelsymmetrisch sind, mittig geschnitten ist.
Mikrofon mit einem mikromechanischen Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Drucksensor mit einem mikromechanischen Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8.