DE102017204753A1

DE102017204753A1 - Micromechanical component

Info

Publication number: DE102017204753A1
Application number: DE102017204753.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement (100) mit einem Substrat (60), einer ersten Funktionsschicht (1) und einer zweiten Funktionsschicht (2), wobei die erste Funktionsschicht (1) über dem Substrat (60) angeordnet ist, wobei die zweite Funktionsschicht (2) über dem Substrat (60) und unter der ersten Funktionsschicht (1) angeordnet ist, wobei wenigstens in der ersten Funktionsschicht (1) wenigstens zwei Elektroden (50, 51, 52) ausgebildet sind. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die wenigstens zwei Elektroden (50, 51, 52) mit einer Trägerplatte (10, 20, 30) verbunden sind, welche in der zweiten Funktionsschicht (2) ausgebildet ist und welche von dem Substrat (60) freigestellt ist.The invention is based on a micromechanical component (100) having a substrate (60), a first functional layer (1) and a second functional layer (2), wherein the first functional layer (1) is arranged above the substrate (60) second functional layer (2) above the substrate (60) and below the first functional layer (1) is arranged, wherein at least in the first functional layer (1) at least two electrodes (50, 51, 52) are formed. The core of the invention consists in that the at least two electrodes (50, 51, 52) are connected to a carrier plate (10, 20, 30), which is formed in the second functional layer (2) and which extends from the substrate (60). is released.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem Substrat, einer ersten Funktionsschicht und einer zweiten Funktionsschicht, wobei die erste Funktionsschicht über dem Substrat angeordnet ist, wobei die zweite Funktionsschicht über dem Substrat und unter der ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei wenigstens in der ersten Funktionsschicht wenigstens zwei Elektroden ausgebildet sind.The invention is based on a micromechanical component having a substrate, a first functional layer and a second functional layer, wherein the first functional layer is arranged above the substrate, wherein the second functional layer is arranged above the substrate and below the first functional layer, wherein at least in the first Functional layer at least two electrodes are formed.

Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung parallel zur Waferebene (x- oder y-Richtung bzw. in-plane-Orientierung) werden typischerweise Feder-Masse-Strukturen verwendet, die aus einer mikromechanischen Schicht der Dicke h₀ herausgebildet werden. An der Masse befestigt sind mitbewegte Elektrodenfinger, welche feststehenden, mit dem Substrat verbundenen Elektrodenfingern in geringem Abstand d₀ gegenüber stehen. Eine äußere Beschleunigung führt zu einer Auslenkung des Feder-Masse-Systems und somit zu einer Änderung des Abstands zwischen beweglichen und festen Fingern. Die resultierende Kapazitätsänderung kann dann über eine elektronische Auswerteschaltung gemessen werden. Üblicherweise wird die Differenz C1 - C2 von zwei Kapazitäten gemessen, wobei sich die beiden Kapazitäten bei Auftreten einer Auslenkung gegenläufig verhalten, also beispielsweise C1 größer und C2 kleiner wird. Auch bei Drehratensensoren werden für die Detektion von Drehratensignalen entsprechende Anordnungen mit einer Vielzahl von festen und beweglichen Elektrodenfingern verwendet.Micromechanical inertial sensors for measuring acceleration and rate of rotation are mass-produced for various applications in the automotive and consumer sectors. For capacitive acceleration sensors with detection direction parallel to the wafer plane (x- or y-direction or in-plane orientation) spring-mass structures are typically used, which are formed from a micromechanical layer of thickness h ₀ . Attached to the mass are moving electrode fingers, which are stationary, with the substrate connected electrode fingers at a small distance d ₀ opposite. An external acceleration leads to a deflection of the spring-mass system and thus to a change in the distance between the movable and fixed fingers. The resulting capacitance change can then be measured via an electronic evaluation circuit. Usually, the difference C1 - C2 is measured by two capacitances, wherein the two capacitors behave in opposite directions when a deflection occurs, that is, for example, C1 becomes larger and C2 becomes smaller. Even with rotation rate sensors, corresponding arrangements with a multiplicity of fixed and movable electrode fingers are used for the detection of rotation rate signals.

Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 102009045391 A1 offenbart. Die 1 bis 3 darin zeigen exemplarisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit Detektionsrichtung parallel zur Chipebene. Der Sensor wird aus insgesamt drei Funktionsschichten (jeweils vorzugsweise aus Silizium) geformt, wobei die obere Silizium-Schicht, die erste Funktionsschicht, im Wesentlichen die seismische Masse, Federn, Elektroden und Anschläge umfasst (1). Die beiden unteren Schichten, nämlich die zweite und dritte Funktionsschicht dienen im Wesentlichen der elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung des Sensors (2). 3 zeigt einen Ausschnitt des Sensors, im Wesentlichen die untere Hälfte, mit der Darstellung der ersten und zweiten Funktionsschicht und den gleichzeitig mechanischen und elektrischen Anbindungen der ersten Funktionsschicht an die zweite Funktionsschicht. Die Anbindung der in 1 mit Bezugszeichen 52 gekennzeichneten C2-Festelektroden erfolgt demnach auf eine Platte der zweiten Funktionsschicht, welche vollständig unterätzt ist und daher keine direkte Kopplung an das Substrat hat. Die Anbindungsplatte der zweiten Funktionsschicht verläuft dann unterhalb eines ebenfalls vollständig unterätzten Elektrodenarms für die C1-Elektrodenfinger und wird dann an C2-Elektrodenarme der ersten Funktionsschicht angebunden, welche wiederum in einem zentrumsnahen Bereich an das Substrat angebunden werden, in diesem Beispiel an zwei Punkten. Diese zentrumsnahe Anordnung aller Aufhängungen, sowohl für die bewegliche Struktur als auch für die Festelektrodenarme, ist enorm vorteilhaft zur Reduktion des Einflusses von Substratverbiegungen, beispielsweise durch Gehäusestress, auf den Sensor.Such a sensor is for example in the German patent application DE 102009045391 A1 disclosed. The 1 to 3 An example of this shows a micromechanical acceleration sensor with a detection direction parallel to the chip plane. The sensor is formed from a total of three functional layers (each preferably made of silicon), wherein the upper silicon layer, the first functional layer, essentially comprises the seismic mass, springs, electrodes and stops ( 1 ). The two lower layers, namely the second and third functional layer essentially serve the electrical contacting and wiring of the sensor ( 2 ). 3 shows a section of the sensor, essentially the lower half, with the representation of the first and second functional layer and the simultaneous mechanical and electrical connections of the first functional layer to the second functional layer. The connection of in 1 C2 fixed electrodes denoted by reference numeral 52 are accordingly applied to a plate of the second functional layer, which is completely undercut and therefore has no direct coupling to the substrate. The connection plate of the second functional layer then extends beneath a likewise completely undercut electrode arm for the C1 electrode fingers and is then connected to C2 electrode arms of the first functional layer, which in turn are connected to the substrate in a region close to the center, in this example at two points. This center-near arrangement of all suspensions, both for the movable structure and for the fixed electrode arms, is enormously advantageous for reducing the influence of substrate bending, for example by housing stress, on the sensor.

Zur besseren Veranschaulichung der Elektrodenkonfiguration und zur Verdeutlichung des Schichtaufbaus zeigt 4 in drei Teilbildern Schnitte längs der Linien A, B, C aus 1.To better illustrate the electrode configuration and to illustrate the layer structure shows 4 in three sub-sections sections along the lines A, B, C from 1 ,

Eine mögliche Funktionsstörung eines derart gebildeten Inertialsensors besteht in der Gefahr des Fingerkollaps. Bei Anliegen einer elektrischen Spannung zwischen festen und beweglichen Elektrodenfingern wirken anziehende elektrostatische Kräfte zwischen den Fingern. Die Fingerstrukturen in den Figuren 1 und 3 können im Wesentlichen als einseitig eingespannte Biegebalken betrachtet werden, die eine gewisse Federsteifigkeit und damit bei einer Auslenkung eine gewisse Rückstellkraft aufweisen. Übersteigt nun die anziehende elektrostatische Kraft zwischen den Fingern die mechanische Rückstellkraft, kommt es zu einer elektromechanischen Instabilität, dem sogenannten Fingerkollaps, der in der Literatur oftmals auch als „pull-in“ bezeichnet wird. Eine Beschreibung dieses Phänomens findet man beispielsweise in der Schrift Wen-Ming Zhang, Han Yan, Zhi-Ke Peng, Guang Meng, Sensors and Actuators A 214 (2014) 187-218). Wesentliche Einflussfaktoren für das Auftreten des Fingerkollaps sind die Steifigkeit der Elektrodenfinger (Fingerbreite und -länge) sowie die Stärke der elektrostatischen Kräfte (Spannung und Elektrodenabstand). Bei Auslenkungen des Sensors, ganz besonders, wenn der Sensor bis zum mechanischen Anschlag ausgelenkt ist und sich der Abstand zwischen den beweglichen und den festen C1- oder C2-Elektroden deutlich verringert hat, nehmen die elektrostatischen Kräfte und damit das Risiko des Fingerkollaps stark zu. Um für den Betrieb des Sensors ausreichend hohe Spannungsfestigkeit gegenüber Fingerkollaps sicherzustellen, muss die Geometrie der Elektrodenfinger (Breite, Länge, Abstand) geeignet gewählt werden. Dieser Aspekt kann eine massive Einschränkung der Designfreiheit bedeuten. Ohne das Kollapsrisiko könnten die Elektrodenfinger beispielsweise deutlich schmaler ausgeführt werden, wodurch der Platzbedarf für die Elektroden und somit die Baugröße sowie die Herstellkosten des Sensors reduziert wären. Alternativ könnte bei gleichem Platzbedarf eine größere Zahl von Elektroden realisiert werden, um beispielsweise die elektrische Empfindlichkeit und die Dämpfung des Sensors zu erhöhen.A possible malfunction of an inertial sensor formed in this way is the risk of finger collapse. When electrical voltage is applied between fixed and movable electrode fingers, attractive electrostatic forces act between the fingers. The finger structures in FIGS. 1 and 3 can essentially be regarded as cantilevered bending beams which have a certain spring rigidity and thus a certain restoring force during deflection. If the attractive electrostatic force between the fingers exceeds the mechanical restoring force, an electromechanical instability occurs, the so-called finger collapse, which is often referred to in the literature as "pull-in". A description of this phenomenon can be found in, for example, Wen-Ming Zhang, Han Yan, Zhi-Ke Peng, Guang Meng, Sensors and Actuators A 214 (2014) 187-218). The main influencing factors for the occurrence of finger collapse are the stiffness of the electrode fingers (finger width and length) as well as the strength of the electrostatic forces (voltage and electrode distance). In deflections of the sensor, especially when the sensor is deflected to the mechanical stop and the distance between the movable and the fixed C1 or C2 electrodes has decreased significantly, the electrostatic forces and thus the risk of finger collapse increase greatly. In order to ensure sufficiently high dielectric strength against finger collapse for the operation of the sensor, the geometry of the electrode fingers (width, length, distance) must be suitably selected. This aspect can mean a massive restriction of design freedom. For example, without the risk of collapse, the electrode fingers could be made much narrower, reducing the space required for the electrodes and electrodes Thus, the size and the manufacturing cost of the sensor would be reduced. Alternatively, a larger number of electrodes could be realized with the same footprint, for example, to increase the electrical sensitivity and the attenuation of the sensor.

Aufgabetask

Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Kollapsfestigkeit von mikromechanischen Bauelementen mit Fingerelektroden, bevorzugt in-plane detektierenden Beschleunigungs- oder Drehratensensoren, bei gleichzeitig guter Substratentkopplung der Elektrodenstruktur.The object of the invention is to increase the collapse resistance of micromechanical components with finger electrodes, preferably in-plane detecting acceleration or yaw rate sensors, with at the same time good substrate decoupling of the electrode structure.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die wenigstens zwei Elektroden mit einer Trägerplatte verbunden sind, welche in der zweiten Funktionsschicht ausgebildet ist und welche von dem Substrat freigestellt ist. Vorteilhaft werden die Elektroden durch die verbundene Trägerplatte in ihrer Lage gehalten und am Kollaps gehindert.The essence of the invention consists in that the at least two electrodes are connected to a carrier plate, which is formed in the second functional layer and which is exposed from the substrate. Advantageously, the electrodes are held in position by the associated carrier plate and prevented from collapsing.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Trägerplatte elektrisch leitfähig ist und die wenigstens zwei Elektroden mit der Trägerplatte elektrisch leitfähig verbunden sind. Vorteilhaft liegt die Trägerplatte auf demselben Potential. Vorteilhaft kann die Trägerplatte somit auch eine elektrische Leitfunktion übernehmen.An advantageous embodiment of the invention provides that the carrier plate is electrically conductive and the at least two electrodes are electrically conductively connected to the carrier plate. Advantageously, the carrier plate is at the same potential. Advantageously, the carrier plate can thus also assume an electrical control function.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Festelektroden und/oder wenigstens zwei bewegliche Elektroden mit der Trägerplatte verbunden sind. Vorteilhaft können sowohl die beweglichen Elektroden mit der freigestellten Trägerplatte verbunden sein und dabei Ihre Beweglichkeit gegenüber dem Substrat behalten.An advantageous embodiment of the invention provides that at least two fixed electrodes and / or at least two movable electrodes are connected to the carrier plate. Advantageously, both the movable electrodes can be connected to the exposed carrier plate and thereby retain their mobility relative to the substrate.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Versteifungssteg mit der Trägerplatte verbunden ist. Vorteilhaft übernimmt der Versteifungssteg die mechanische Versteifung der der Elektroden über die gemeinsam verbundene Trägerplatte. Vorteilhaft können hierbei die Elektroden noch dünner ausgeführt werden und somit die Packungsdichte der Elektroden erhöht oder die Größe des mikromechanischen Bauelements verringert werden. An advantageous embodiment of the invention provides that at least one stiffening web is connected to the carrier plate. Advantageously, the stiffening web takes over the mechanical stiffening of the electrodes via the jointly connected carrier plate. Advantageously, in this case, the electrodes can be made even thinner and thus increases the packing density of the electrodes or the size of the micromechanical device can be reduced.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Versteifungssteg in der ersten Funktionsschicht oder auch in der zweiten Funktionsschicht ausgebildet ist.An advantageous embodiment of the invention provides that the at least one stiffening web is formed in the first functional layer or in the second functional layer.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens zwei Festelektroden und die wenigstens zwei beweglichen Elektroden eine Anordnung von zumindest teilweise überlappenden Fingerstrukturen darstellen und die Festelektroden mit einer Trägerplatte und/oder die beweglichen Elektroden mit einer anderen Trägerplatte verbunden sind.An advantageous embodiment of the invention provides that the at least two fixed electrodes and the at least two movable electrodes represent an array of at least partially overlapping finger structures and the fixed electrodes are connected to a carrier plate and / or the movable electrodes to another carrier plate.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Funktionsschicht aus Polysilizium, insbesondere aus Epipoly (epitaktisches Polysilizium) besteht.An advantageous embodiment of the invention provides that the first functional layer consists of polysilicon, in particular of epipoly (epitaxial polysilicon).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Funktionsschicht aus Polysilizium besteht.An advantageous embodiment of the invention provides that the second functional layer consists of polysilicon.

Vorteilhaft ist ein mikromechanisches Bauelement, gebildet aus mindestens zwei Funktionsschichten, mit einer Anordnung von zumindest teilweise überlappenden Fingerstrukturen, bestehend aus festen und beweglichen Elektrodenfingern, welche vorwiegend in der ersten Funktionsschicht gebildet sind, wobei die festen oder auch die beweglichen Elektrodenfinger jeweils mindestens eine Anbindung an die zweite Funktionsschicht aufweisen, wobei die mindestens eine Anbindung nicht unmittelbar mit dem Substrat verbunden, also freitragend oder freigestellt ist. Vorteilhaft sind zumindest ein Teil der nicht unmittelbar mit dem Substrat verbundenen und jeweils auf dem gleichen elektrischen Potential liegenden Aufhängungen der Einzelfinger miteinander durch eine Versteifungsstruktur verbunden. Die Versteifungsstruktur kann aus Elementen der ersten oder auch zweiten Funktionsschicht gebildet werden. Wesentlicher Vorteil der Anordnung ist die Möglichkeit, die Kollapsfestigkeit der Elektrodenfinger zu erhöhen oder bei unveränderter Kollapsfestigkeit kleiner bauende Elektrodenzellen zu realisieren. Im Gegensatz zu der nahe liegenden Möglichkeit, die Kollapsfestigkeit über eine zweite fest mit dem Substrat verbundene Anbindung der Elektroden zu realisieren, wird in der erfindungsgemäßen Struktur eine freitragende Anbindung mit einer Versteifungsstruktur vorgeschlagen, wodurch zum einen der Einfluss unerwünschter Substratverbiegungen auf die Elektrodenstruktur gering bleibt, also auch keine großen Offsetfehler und Empfindlichkeitsfehler aufgrund von Gehäusestress entstehen, und zum anderen keine signifikante Erhöhung der Parasitärkapazität in der Verdrahtung des Sensors resultiert. Vorteilhaft kann durch die Erfindung alternativ oder auch ergänzend zur Erhöhung der Kollapsfestigkeit die Empfindlichkeit der Elektrodenanordnung erhöht werden oder auch der Flächenbedarf des mikromechanischen Bauelements reduziert werden.Advantageously, a micromechanical component, formed from at least two functional layers, with an arrangement of at least partially overlapping finger structures, consisting of fixed and movable electrode fingers, which are formed predominantly in the first functional layer, wherein the fixed or the movable electrode fingers in each case at least one connection have the second functional layer, wherein the at least one connection is not directly connected to the substrate, that is self-supporting or free. Advantageously, at least some of the suspensions of the individual fingers that are not directly connected to the substrate and are each at the same electrical potential are connected to one another by a stiffening structure. The stiffening structure can be formed from elements of the first or second functional layer. An essential advantage of the arrangement is the possibility of increasing the collapse strength of the electrode fingers or realizing smaller constructive electrode cells with the same collapse strength. In contrast to the obvious possibility of realizing the collapse resistance via a second connection of the electrodes firmly connected to the substrate, in the structure according to the invention a cantilevered connection with a stiffening structure is proposed, whereby on the one hand the influence of undesired substrate deflections on the electrode structure remains low, Thus, no large offset errors and sensitivity errors due to housing stress arise, and on the other hand, no significant increase in the parasitic capacitance in the wiring of the sensor results. Advantageously, the sensitivity of the electrode arrangement can be increased by the invention as an alternative or in addition to increasing the collapse strength, or the area requirement of the micromechanical component can also be reduced.

Figurenlistelist of figures

1 shows a micromechanical acceleration sensor in the prior art.
2 shows trace leads of the micromechanical acceleration sensor in the prior art.
3 shows the lower part of the micromechanical acceleration sensor in the prior art.
The 4A, B, C show sectional views of the micromechanical acceleration sensor in the prior art.
5 shows a first embodiment of the micromechanical device according to the invention.
The 6A, B, C show sectional views of the first embodiment of the micromechanical device according to the invention.
7 shows a second embodiment of the micromechanical device according to the invention.
8th shows a third embodiment of the micromechanical device according to the invention.

Beschreibungdescription

1 zeigt einen mikromechanischen Beschleunigungssensor im Stand der Technik. Es handelt sich um ein bekanntes mikromechanisches Bauelement in Oberflächen-Mikromechanik (OMM). Dargestellt ist eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor 100 mit beweglicher Masse 40 und mitbewegten Elektrodenfingern 50 sowie ersten festen Gegenelektroden 51 mit einem elektrischen Potential C1 und zweiten festen Gegenelektroden 52 mit einem Potential C2. In diesem Beispiel sind sowohl die Masse 40 als auch sämtliche Aufhängungen der Festelektroden 51, 52 in einem zentrumsnahen Bereich angeordnet. Die mögliche Bewegungsrichtung der seismischen Masse 40 ist durch den Pfeil gekennzeichnet. Anbindungen an ein darunterliegendes Substrat 60 sind als dunkle Flächen markiert. Innerhalb der seismischen Masse links und rechts befinden sich fest mit dem Substrat 60 verbundene mechanische Anschläge 70. Leiterbahnzuführungen für die Struktur sind in 2 gesondert dargestellt. 1 shows a micromechanical acceleration sensor in the prior art. It is a known micromechanical device in surface micromechanics (OMM). Shown is a plan view of an acceleration sensor 100 with movable mass 40 and mitbewegten electrode fingers 50 and first fixed counter-electrodes 51 with an electrical potential C1 and second fixed counter electrodes 52 with a potential C2. In this example, both are the mass 40 as well as all suspensions of the fixed electrodes 51 . 52 arranged in a region close to the center. The possible direction of movement of the seismic mass 40 is indicated by the arrow. Connections to an underlying substrate 60 are marked as dark areas. Within the seismic mass left and right are fixed to the substrate 60 connected mechanical stops 70. Track feeders for the structure are in 2 shown separately.

2 zeigt Leiterbahnzuführungen des mikromechanischen Beschleunigungssensors im Stand der Technik. Die drei Potentiale CM für die seismische Masse 40 und beweglichen Elektroden 50 sowie die Potentiale C1 für die festen Elektroden 51 und C2 für die festen Elektroden 52 werden am rechten Bildrand über Leiterbahnen 83 in der dritten Funktionsschicht 3 in den Sensorkern geführt und dann über elektrische Kontaktstellen 85 (dunkelblau) auf Leiterbahnstrukturen 82 in der zweiten Funktionsschicht 2 geleitet. Das Teilbild oben zeigt als vergrößerten Ausschnitt die Trägerplatte für die festen Elektroden 51 mit Potential C1. Diese Trägerplatte ist durchlöchert und wird daher beim Opferoxidätzen außer an der Aufhängung 85 vollständig vom Substrat freigestellt. 2 shows trace leads of the micromechanical acceleration sensor in the prior art. The three potentials CM for the seismic mass 40 and movable electrodes 50 as well as the potentials C1 for the fixed electrodes 51 and C2 for the fixed electrodes 52 be on the right edge of the image via traces 83 in the third functional layer 3 guided into the sensor core and then via electrical contact points 85 (dark blue) on conductor tracks 82 in the second functional layer 2 directed. The drawing above shows an enlarged detail of the support plate for the fixed electrodes 51 with potential C1 , This carrier plate is perforated and is therefore completely released from the substrate during sacrificial oxide etching except at the suspension 85.

3 zeigt den unteren Teil des mikromechanischen Beschleunigungssensors im Stand der Technik. Dargestellt ist ein unterer Teil der Sensorstruktur aus 1. Dunkel markiert sind hier die Anbindungen 120 zwischen der ersten Funktionsschicht 1 und der zweiten Funktionsschicht 2, insbesondere sind auch die Anbindungen der zweiten Festelektroden 52 mit dem Potential C2 an die in der zweiten Funktionsschicht 2 gebildete Trägerplatte zu erkennen, welche in 1 nicht dargestellt sind. 3 shows the lower part of the micromechanical acceleration sensor in the prior art. Shown is a lower part of the sensor structure 1 , The connections are marked dark here 120 between the first functional layer 1 and the second functional layer 2 , in particular, the connections of the second fixed electrodes 52 with the potential C2 to those in the second functional layer 2 formed support plate to recognize which in 1 are not shown.

Die 4A, B, C zeigen Schnittbilder des mikromechanischen Beschleunigungssensors im Stand der Technik. Dargestellt sind Schnitte entlang der drei Linien A, B, C aus 1 mit Darstellung der elektrischen Potentiale CM, C1 und C2. Mit Potential C2 ist auch die rechte Leiterbahn in der dritten Funktionsschicht 3 verbunden. Mit Potential C1 ist die Leiterbahn links daneben, ebenfalls in der dritten Funktionsschicht 3 verbunden. Die schematische Figur verdeutlicht die Sensorkonstruktion mit drei Funktionsschichten 1, 2, 3, und drei Potentialen im obersten Bild gekennzeichnet mit 1, 2, 3. Alle Elemente sind über dem Substrat 60 angeordnet. Die dritte Funktionsschicht 3 ist wenigstens mittels einer Isolationsschicht 63, insbesondere einer Oxidschicht, auf dem Substrat 60 angeordnet.The 4A, B, C show sectional views of the micromechanical acceleration sensor in the prior art. Shown are sections along the three lines A, B, C out 1 with representation of the electrical potentials CM . C1 and C2 , With potential C2 is also the right trace in the third functional layer 3 connected. With potential C1 is the trace to the left, also in the third functional layer 3 connected. The schematic figure illustrates the sensor construction with three functional layers 1 . 2 . 3 , and three potentials in the top picture marked 1, 2, 3. All elements are above the substrate 60 arranged. The third functional layer 3 is at least by means of an insulating layer 63 , in particular an oxide layer, on the substrate 60 arranged.

5 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements. Dargestellt ist eine Teilansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Beschleunigungssensors. Der Bildausschnitt unten ist zur besseren Kenntlichmachung der Perforationslöcher vergrößert dargestellt. Der Ausschnitt und die Sichtbarkeit der Schichten entspricht der 3, insbesondere sind der Übersichtlichkeit halber die Zuleitungen in der dritten Funktionsschicht nicht gezeigt, da diesbezüglich in 5 gegenüber 2 keine Änderungen erfolgt sind. Neu gegenüber der in 3 dargestellten Vorrichtung im Stand der Technik sind die in der zweiten Funktionsschicht 2 realisierten Trägerplatten 10, 20, 30 mit den elektrischen und mechanischen Anbindungen 11, 21, 31 der Elektrodenfinger an die Trägerplatten. Die Elemente 10, 11 liegen hier elektrisch auf CM-Potential, die Elemente 20, 21 auf C1-Potential und die Elemente 30, 31 auf C2-Potential. Die Trägerplatten 10, 20, 30 weisen kleine Perforationslöcher auf (zur Verdeutlichung dient der vergrößerte Bildausschnitt in 5 unten), die eine vollständige Unterätzung der Trägerplatten beim Opferoxidätzen und somit die Freistellung der Trägerplatten bewirken. Dank der vollständigen Unterätzung sind die Trägerplatten 10, 20, 30 komplett unabhängig von Substratverbiegungen durch Gehäusestress, und die bezüglich der Sensorperformance, insbesondere Offset und Empfindlichkeit, günstigen Eigenschaften der zentrumsnahen Anordnung aller mechanischen Aufhängungen zum Substrat bleiben voll erhalten. 5 shows a first embodiment of the micromechanical device according to the invention. Shown is a partial view of a first embodiment of an acceleration sensor according to the invention. The image below is enlarged to better identify the perforation holes. The section and the visibility of the layers corresponds to the 3 In particular, for the sake of clarity, the supply lines in the third functional layer are not shown, since in this respect 5 across from 2 no changes have been made. New to the in 3 In the prior art device shown are the carrier plates realized in the second functional layer 2 10 . 20 . 30 with the electrical and mechanical connections 11 . 21 . 31 the electrode fingers to the carrier plates. The Elements 10 . 11 lie here electrically on CM Potential, elements 20, 21 on C1 potential and the elements 30 . 31 on C2 potential. The support plates 10, 20, 30 have small perforation holes (for clarity, the enlarged image section in 5 below), which cause a complete underetching of the carrier plates in Opferoxidätzen and thus the release of the carrier plates. Thanks to the complete undercut, the carrier plates 10, 20, 30 are completely independent of Substratverbiegungen by housing stress, and with respect to the sensor performance, in particular offset and sensitivity, favorable properties of the center-near arrangement of all mechanical suspensions to the substrate remain fully intact.

Die Trägerplatten 10, 20, 30 bewirken insbesondere aufgrund ihrer Breite b1 eine Versteifung der miteinander über die Trägerplatten verbundenen Elektrodenfinger. Sie wirken also als Versteifungsstruktur bzgl. der Auslenkbarkeit der Elektrodenfinger in Detektionsrichtung oder Bewegungsrichtung der seismischen Masse 40 und erhöhen somit, der Aufgabe der Erfindung entsprechend, die für den Fingerkollaps erforderliche Spannung zwischen beweglichen und festen Fingerelektroden. Je größer die Breite b1, aber auch die Dicke der Trägerplatten 10, 20, 30 gewählt wird, desto größer ist der Versteifungseffekt.The carrier plates 10 . 20 . 30 cause in particular due to their width b1 a stiffening of the electrode fingers connected to one another via the carrier plates. Thus, they act as stiffening structure with respect to the deflectability of the electrode fingers in the detection direction or direction of movement of the seismic mass 40 and thus, according to the object of the invention, increase the voltage required for the finger collapse between movable and fixed finger electrodes. The larger the width b1 , but also the thickness of the carrier plates 10 . 20 . 30 is selected, the greater the stiffening effect.

Die 6A, B, C zeigen Schnittbilder der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements.The 6A, B, C show sectional views of the first embodiment of the micromechanical device according to the invention.

Dargestellt sind Schnitte entlang der drei Linien A, B, C aus 5 mit Darstellung der elektrischen Potentiale CM, C1 und C2. Die gegenüber 4 neuen Elemente, insbesondere die Trägerplatten 10, 20, 30 und die Anbindungen 11, 21, 31 zwischen Trägerplatten und Fingerelektroden sind eigens gekennzeichnet.Shown are sections along the three lines A, B, C out 5 with representation of the electrical potentials CM . C1 and C2 , The opposite 4 new elements, in particular the carrier plates 10 . 20 . 30 and the connections 11, 21, 31 between support plates and finger electrodes are specially marked.

7 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements. Dargestellt ist eine Teilansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Beschleunigungssensors. Gegenüber 5 weist die Struktur zusätzliche in der ersten Funktionsschicht realisierte Versteifungsstege 12, 22, 32 auf, welche wie auch die normalen Fingerelektroden an die Trägerplatten 10, 12, 22 gekoppelt sind. Die gekoppelte Elektrodenstruktur wird dadurch enorm versteift. Auf eine Darstellung der Leiterbahnführung in der dritten Funktionsschicht wurde wie bereits in 5 verzichtet, da in dieser Ebene gegenüber 2 keine Änderungen vorgenommen wurden. Die Versteifungsstege 12, 22, 32 sind hier breit ausgeführt, aber perforiert und daher vollständig vom darunterliegenden Substrat freigestellt. Somit sind vollständig freitragende Versteifungsstege 12, 22, 32 in der ersten Funktionsschicht realisiert. Deren Steifigkeit in Detektionsrichtung wächst im Wesentlichen (bis auf geringe Korrekturen durch die Perforationslöcher) mit der dritten Potenz der Breite b2. Beispielsweise weist also ein Versteifungssteg 22, dessen Breite b2 der dreifachen Standardbreite der Elektrodenfinger entspricht, eine 27-fach höhere Steifigkeit als ein Elektrodenfinger der Steifigkeit k0 auf. Im Beispiel von 7 ist also selbst ohne Berücksichtigung des Versteifungseffekts der Trägerplatte 21 (wenn also die Breite b1 der Trägerplatte verschwindend klein wäre, die Elektrodenfinger aber immer noch miteinander gekoppelt wären) die Gesamtsteifigkeit der gekoppelten acht Standardelektrodenfinger und der Versteifungsstruktur (8 + 27) k0 = 35 k0 statt 10 k0 wie bei der Struktur von 5 (bei angenommenem minimalen Einfluss der Trägerplatte 21 ergibt sich die Summe der Steifigkeit aus den zehn identischen Elektrodenfingern). Es ist somit offensichtlich, dass durch geeignete Wahl der Dimensionierung der Breite b2 des Versteifungsstegs 22 die Kollapsspannung der Elektrodenstruktur massiv erhöht werden kann. 7 shows a second embodiment of the micromechanical device according to the invention. Shown is a partial view of a second embodiment of an acceleration sensor according to the invention. Across from 5 the structure has additional stiffening webs realized in the first functional layer 12 . 22 . 32 on which, like the normal finger electrodes to the carrier plates 10 . 12 . 22 are coupled. The coupled electrode structure is thereby enormously stiffened. On a representation of the conductor track guide in the third functional layer was as already in 5 waived, because in this level opposite 2 no changes were made. The stiffening webs 12 . 22 . 32 are here made wide, but perforated and therefore completely exempt from the underlying substrate. Thus, completely self-supporting stiffening webs 12 . 22 . 32 realized in the first functional layer. Their stiffness in the detection direction essentially grows (except for small corrections through the perforation holes) with the third power of the width b2 , For example, therefore, has a stiffening web 22 whose width b2 the triple standard width of the electrode fingers corresponds to a 27 times higher rigidity than an electrode finger of rigidity k0. In the example of 7 So even without consideration of the stiffening effect of the support plate 21 (so if the width b1 the carrier plate would be vanishingly small, but the electrode fingers would still be coupled together) the total stiffness of the coupled eight standard electrode fingers and the stiffening structure (8 + 27) k0 = 35 k0 instead of 10 k0 as in the structure of 5 (assuming minimal influence of the carrier plate 21 the sum of the stiffness results from the ten identical electrode fingers). It is thus obvious that by a suitable choice of the dimensioning of the width b2 of the stiffening web 22 the collapse stress of the electrode structure can be massively increased.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform der 7 hat zwar eine massive Erhöhung der Kollapsspannung gegenüber der 5 bewirkt, jedoch zu einem Verlust an elektrischer Empfindlichkeit geführt, da in einer Sensorhälfte in 7 nur noch neun wirksame Detektionselektroden (acht Standardfinger und eine Versteifungsstruktur) statt der zehn Detektionselektroden von 5 zur Verfügung stehen. Erfindungsgemäß kann dies jedoch in einer weiteren Ausführungsform kompensiert bzw. sogar überkompensiert werden. Dank der Versteifungsstege 12, 22, 32 und der Kopplung der Einzelelektroden über die Trägerplatten 10, 20, 30 kann nämlich die Gesamtsteifigkeit der gekoppelten Elektrodenstruktur im Wesentlichen bereits durch die Steifigkeit der Versteifungsstege 12, 22, 32 erreicht werden, so dass die Einzelelektroden wesentlich schmaler und die Elektrodenzellen (bestehend jeweils auch einer CM-, C1- und C2-Elektrode) insgesamt deutlich kompakter ausgeführt können. Bei gleicher Gesamtgröße des Beschleunigungssensors können demnach mehr Elektrodenzellen realisiert werden als beim Stand der Technik.The embodiment of the invention 7 Although a massive increase in the Kollapsspannung over the 5 causes, however, led to a loss of electrical sensitivity, as in a sensor half in 7 only nine effective detection electrodes (eight standard fingers and one stiffening structure) instead of the ten detection electrodes of 5 be available. According to the invention, however, this can be compensated or even overcompensated in a further embodiment. By virtue of the stiffening webs 12, 22, 32 and the coupling of the individual electrodes via the carrier plates 10, 20, 30, the overall rigidity of the coupled electrode structure can essentially be achieved by the rigidity of the stiffening webs 12, 22, 32, so that the individual electrodes are substantially narrower and the electrode cells (each also one CM -, C1 and C2 electrode) can be made significantly more compact overall. With the same overall size of the acceleration sensor, therefore, more electrode cells can be realized than in the prior art.

8 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements. Dargestellt ist eine Teilansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Beschleunigungssensors, bei der gegenüber 7 die Breite sämtlicher Fingerelektroden reduziert und somit Platz für insgesamt zwölf Elektrodenzellen geschaffen wurde. Somit ist die elektrische Empfindlichkeit gegenüber den Sensoren aus 3 bzw. 5 um 20% erhöht, und gleichzeitig weist die Struktur von 8 eine erhöhte Kollapsfestigkeit auf. Der Grund für diese attraktive Merkmalskombination liegt letztlich in der hohen, nämlich dritten Potenz, mit der die Steifigkeit von der Breite b2 abhängt, während der zusätzliche Platzbedarf für die Versteifungsstege nur linear mit der Breite b2 wächst, was durch den reduzierten Platzbedarf der Vielzahl schmalerer Elektrodenfinger deutlich überkompensiert wird. Durch die mechanische Kopplung der Finger über die Trägerplatte ist es somit möglich, sehr steife und dennoch hochempfindliche Elektrodenkonfigurationen zu realisieren. Dadurch können weitaus kompaktere Elektrodenzellen und letztlich mehr Elektrodenzellen auf gleicher Fläche realisiert werden. 8th shows a third embodiment of the micromechanical device according to the invention. Shown is a partial view of a third embodiment of an acceleration sensor according to the invention, in the opposite 7 reduced the width of all finger electrodes and thus space was created for a total of twelve electrode cells. Thus, the electrical sensitivity to the sensors is off 3 respectively. 5 increased by 20%, and at the same time, the structure of 8th an increased collapse resistance. The reason for this attractive combination of features lies ultimately in the high, namely third power, with the stiffness of the width b2 depends, while the additional space required for the stiffening webs only linear with the width b2 grows, which is significantly overcompensated by the reduced space requirement of the large number of narrower electrode fingers. Due to the mechanical coupling of the fingers on the support plate, it is thus possible to realize very rigid and yet highly sensitive electrode configurations. As a result, far more compact electrode cells and ultimately more electrode cells can be realized on the same surface.

Es ist offensichtlich, dass im Sinne der Erfindung nicht notwenderweise alle Elektrodenfinger miteinander gekoppelt sein müssen oder dass beispielsweise für die Elektrodenfinger eines einzelnen elektrischen Potentials keine Versteifungsstege verwendet werden müssen. Zur Veranschaulichung zeigt 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei in diesem Fall lediglich die Versteifungsstege 22, 32 für die ersten Festelektroden 51 mit dem Potential C1 und die zweiten Festelektroden 52 mit dem Potential C2 verwendet werden, während für die beweglichen Elektroden 50 mit dem potential CM (bewegliche Fingerelektroden) jedoch kein Versteifungssteg existiert.It is obvious that for the purposes of the invention, not necessarily all electrode fingers must be coupled together or that, for example, for the electrode fingers of a single electrical potential no stiffening webs must be used. To illustrate shows 9 a further embodiment of the invention, in which case only the stiffening webs 22, 32 for the first fixed electrodes 51 with the potential C1 and the second solid electrodes 52 with the potential C2 used while for the movable electrodes 50 with the potential CM (movable finger electrodes) but no stiffening bar exists.

Es ist ferner offensichtlich, dass die in den Figuren gezeigten Schichtdicken und Schichtreihenfolgen nur exemplarisch zu verstehen sind. Es ist insbesondere denkbar, dass die zweite und dritte Funktionsschicht nicht unterhalb, sondern oberhalb der ersten Funktionsschicht angeordnet ist. Somit lägen auch die Trägerplatten zur Kopplung der Elektrodenstrukturen nicht unterhalb, sondern oberhalb der Elektrodenfinger. Es ist auch denkbar, dass die Schichtdicken von erster und zweiter Funktionsschicht deutlich andere Verhältnisse aufweisen, dass also zum Beispiel die zweite Funktionsschicht halb so dick oder genauso dick wie die erste Funktionsschicht ist. Es ist ferner möglich, dass die Elektroden zumindest abschnittweise, nämlich dort, wo keine Trägerplatten angeordnet sind, nicht nur aus der ersten, sondern aus der ersten und zweiten Funktionsschicht oder sogar nur aus der zweiten Funktionsschicht ausgebildet sind.It is further obvious that the layer thicknesses and layer sequences shown in the figures are only to be understood as examples. It is particularly conceivable that the second and third functional layer is not arranged below, but above the first functional layer. Thus, the support plates for coupling the electrode structures would not be below, but above the electrode fingers. It is also conceivable that the layer thicknesses of the first and second functional layer have significantly different ratios, that is, for example, that the second functional layer is half as thick or exactly as thick as the first functional layer. It is also possible that the electrodes are formed at least in sections, namely where no carrier plates are arranged, not only from the first, but from the first and second functional layer or even only from the second functional layer.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: erste Funktionsschichtfirst functional layer
22: zweite Funktionsschichtsecond functional layer
33: dritte Funktionsschichtthird functional layer
10, 20, 3010, 20, 30: Trägerplattesupport plate
b1b1: Breite der TrägerplatteWidth of the carrier plate
11, 21, 3111, 21, 31: Anbindung der TrägerplatteConnection of the carrier plate
12, 22, 3212, 22, 32: Versteifungsstegereinforcing webs
b2b2: Breite der VersteifungsstegeWidth of the stiffening webs
4040: seismische Masseseismic mass
5050: bewegliche Elektrodenmovable electrodes
5151: erste feste Elektrodenfirst fixed electrodes
5252: zweite feste Elektrodensecond solid electrodes
CMCM: Potential der seismischen Masse und der mitbeweglichen ElektrodenPotential of the seismic mass and the moving electrodes
C1C1: Potential der ersten festen ElektrodenPotential of the first fixed electrodes
C2C2: Potential der zweiten festen ElektrodenPotential of the second fixed electrodes
6060: Substratsubstratum
6363: Isolationsschicht zwischen Substrat und dritter FunktionsschichtInsulation layer between substrate and third functional layer
7070: mechanische Anschlägemechanical stops
100100: mikromechanisches Bauelementmicromechanical component
120120: Anbindungen zwischen der ersten und zweiten FunktionsschichtConnections between the first and second functional layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009045391 A1 [0003]

Claims

Micromechanical component (100) having a substrate (60), a first functional layer (1) and a second functional layer (2), wherein the first functional layer (1) is arranged above the substrate (60), wherein the second functional layer (2) at least in the first functional layer (1) at least two electrodes (50, 51, 52) are formed, characterized in that the at least two electrodes (50, 51 , 52) are connected to a carrier plate (10, 20, 30) which is formed in the second functional layer (2) and which is exposed from the substrate (60).

Micromechanical device (100) according to Claim 1 , characterized in that the carrier plate (10, 20, 30) is electrically conductive and the at least two electrodes (50, 51, 52) are electrically conductively connected to the carrier plate (10, 20, 30).

Micromechanical device (100) according to Claim 1 or 2 , characterized in that at least two fixed electrodes (51, 52) and / or at least two movable electrodes (50) are connected to the carrier plate (10, 20, 30).

Micromechanical component (100) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one stiffening web (12, 22, 32) is connected to the carrier plate (10, 20, 30).

Micromechanical device (100) according to Claim 4 , characterized in that the at least one stiffening web (12, 22, 32) in the first functional layer (1) and / or in the second functional layer (2) is formed.

Micromechanical device (100) according to one of Claims 3 to 5 characterized in that the at least two fixed electrodes (51, 52) and the at least two movable electrodes (50) represent an array of at least partially overlapping finger structures and the fixed electrodes (51, 52) are provided with a support plate (20, 30) and / or the movable electrodes (50) are connected to another carrier plate (10).

Micromechanical component (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the first functional layer (1) consists of polysilicon, in particular epipoly.

Micromechanical component (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second functional layer (2) consists of polysilicon.