DE102017219929A1

DE102017219929A1 - Mikromechanischer z-Inertialsensor

Info

Publication number: DE102017219929A1
Application number: DE102017219929.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Waldmann; Jochen Reinmuth; Ralf Boessendoerfer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: US10899603B2; CN109761184B; DE102017219929B4; CN109761184A; US20190135612A1

Abstract

Mikromechanischer z-Inertialsensor (100), aufweisend:
- eine in einer mikromechanischen Funktionsschicht (20) ausgebildete
- bewegliche MEMS-Struktur (21);
- eine mit der beweglichen MEMS-Struktur (21) verbundene Torsionsfeder (22); und
- eine mit der Torsionsfeder (22) verbundene Federeinrichtung (23, 24), wobei die Federeinrichtung (23, 24) ausgebildet ist, eine Auslenkung der Torsionsfeder (22) orthogonal zu einer Sensierrichtung der MEMS-Struktur (21) definiert zu behindern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen z-Inertialsensor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen z-Inertialsensors.
Stand der Technik
Mikromechanische z-Inertialsensoren mit MEMS-Strukturen sind seit langem bekannt. Diese können eine in einer Funktionsschicht ausgebildete Wippenstruktur aufweisen, die über Torsionsfedern am Substrat verankert ist. Die Massenverteilung der Wippenstruktur ist in der Regel asymmetrisch ausgebildet, wobei unterhalb der Wippe zwei Elektrodenflächen angeordnet sind, um die Auslenkung der Wippenstruktur kapazitiv messen zu können. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die an den Torsionsfedern aufgehängte asymmetrische Masse nicht nur auf eine Beschleunigung in z-Richtung reagiert.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanischen z-Inertialsensor mit verbessertem Sensierverhalten bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen z-Inertialsensor, aufweisend:

- eine in einer mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildete bewegliche MEMS-Struktur;
- eine mit der beweglichen MEMS-Struktur verbundene Torsionsfeder; und
- eine mit der Torsionsfeder verbundene Federeinrichtung, wobei die Federeinrichtung ausgebildet ist, eine Auslenkung der Torsionsfeder orthogonal zu einer Sensierrichtung der MEMS-Struktur definiert zu behindern.

Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Versteifung der Torsionsfeder in eine zur Sensierrichtung orthogonale Richtung (z.B. in x-Richtung) erreicht, bei gleichzeitiger Erhaltung einer Weichheit der Torsionsfeder in z-Richtung. Im Ergebnis ist dadurch ein verbessertes Sensierverhalten des z-Inertialsensors unterstützt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Z-Inertialsensors, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen einer in einer mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildeten beweglichen MEMS-Struktur;
- Bereitstellen einer mit der beweglichen MEMS-Struktur verbundene Torsionsfeder; und
- Bereitstellen einer mit der Torsionsfeder verbundenen Federeinrichtung derart, dass eine Auslenkung der Torsionsfeder orthogonal zu einer Sensierrichtung der MEMS-Struktur definiert behinderbar ist.

Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen z-Inertialsensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass eine Höhe der Federeinrichtung ca. ein Drittel, mehr bevorzugt ca. ein Zehntel einer Höhe der Torsionsfeder beträgt. Auf diese Weise werden günstige geometrische Abmessungen für die Federeinrichtung bereitgestellt, wobei eine geeignete Auslegung z.B. mit bekannten Simulationsverfahren erfolgen kann.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Federeinrichtung an einem Substrat fixiert ist. Dadurch wird eine stabile Anordnung der Federeinrichtung innerhalb des z-Inertialsensors realisiert, wobei die Anbindung am Substrat direkt oder mittels einer Hilfsstruktur erfolgen kann.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung wenigstens teilweise unterhalb der beweglichen MEMS-Struktur angeordnet ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine kompakte, ressourcen- bzw. flächenschonende Bauweise des z-Inertialsensors unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Federeinrichtung in einer zwischen dem Substrat um der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildeten Schicht ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine Mehrfachverwendung einer Schicht als Federschicht und als Elektrodenschicht vorgesehen sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung wenigstens teilweise oberhalb der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist. Dadurch ist vorteilhaft eine alternative Ausbildung der Federeinrichtung realisiert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ende der Torsionsfeder mit einem Teil der Federeinrichtung, die im Wesentlichen oberhalb der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist, verbunden ist und ein anderes Ende der Torsionsfeder mit einem Teil der Federeinrichtung, die im Wesentlichen unterhalb der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist, verbunden ist. Auf diese Weise kann eine noch bessere Entkopplung des z-Inertialsensors gegenüber Querbelastungen realisiert werden, wobei insbesondere Kippbewegungen der Torsionsfeder noch besser unterdrückbar sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Federeinrichtung orthogonal zueinander ausgerichtete Abschnitte aufweist. Dadurch kann aufgrund der großen Federlänge zwar vorteilhaft leicht eine Auslenkung der Torsionsfeder erfolgen, gleichzeitig ist die Torsionsfeder aber orthogonal zur Sensierrichtung (z.B. in x-Richtung) hart. Zudem sind mit dieser Variante auch platzsparende Realisierungen des z-Inertialsensors möglich.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Element der Federeinrichtung eine Verstärkungsstruktur aufweist. Vorteilhaft kann dadurch die Stabilität und Steifheit der Federeinrichtung noch weiter verbessert sein.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen z-Inertialsensors in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend den mikromechanischen z-Inertialsensor ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:

1 eine Querschnittsansicht eines konventionellen mikromechanischen Inertialsensors;
2 Ansichten eines konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensors;
3 Ansichten einer ersten Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors; und
5 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist eine Bereitstellung einer „mikromechanischen Hilfskonstruktion“, mittels der laterale Rotations- und Translationsbewegungen eines mit einer Wippe ausgebildeten z-Inertialsensors, insbesondere eines z-Beschleunigungssensors, versteift werden. Dabei werden mittels der genannten, nachfolgend detailliert beschriebenen mikromechanischen Hilfskonstruktion laterale Bewegungen der seismischen Masse des z-Inertialsensors definiert behindert bzw. versteift.
1 zeigt, dass bei Beschleunigungssensoren oftmals bewegliche MEMS-Strukturen 21 vorgesehen sind, die aus einer dicken mikromechanischen Funktionsschicht 20 aus Polysilizium herausgeätzt werden. Diese werden über dünnen, vergrabenen Polysiliziumschichten 12 angeordnet, wobei diese ihrerseits mit einer Oxidschicht 11 auf einem Substrat 10 verankert sind. Auch zwischen den beiden Polysiliziumschichten 12, 20 ist eine Oxidschicht vorgesehen.
Die vergrabene Polysiliziumschicht 12 dient dabei als elektrische Leiterbahn und/oder als Elektrode. Die mikromechanische Funktionsschicht 20 wird über einen Trenchprozess und ein Oxid- Opferschichtverfahren freigestellt. Die vergrabene Polysiliziumschicht 12 ist über ein Oxid 11 elektrisch vom Substrat 10 getrennt. Die Leiterbahnen und Elektroden sind derart breit ausgelegt, dass sie im Oxid-Opferoxidätzschritt nicht vollständig unterätzt sind und auf diese Weise stabil am Substrat 10 verankert sind.
Die derart hergestellten beweglichen MEMS-Strukturen 21 („seismische Masse“) werden meist in der weiteren Prozessfolge mit einem Kappenwafer 40 versiegelt. Je nach Anwendung wird innerhalb des dadurch verschlossenen Volumens 50 ein geeigneter Innendruck eingeschlossen, wobei der Verschluss meist über ein Seal-Glas-Bondverfahren oder über ein eutektisches Bondverfahren, z.B. mit AlGe erfolgt.
Um in einem derartigen Herstellungsprozess einen z-Beschleunigungssensor herzustellen, wird in der mikromechanischen Funktionsschicht 20 eine Wippenstruktur ausgebildet, die über Torsionsfedern 22 am Substrat 10 verankert sind, wie in 2 angedeutet. Die Massenverteilung der Wippenstruktur ist asymmetrisch ausgebildet und unterhalb der Wippenstruktur werden zwei Elektrodenflächen angeordnet, um eine Auslenkung der Wippenstruktur messtechnisch kapazitiv erfassen zu können.
Nachteilig an dieser Anordnung kann sein, dass die an den Torsionsfedern 22 aufgehängte asymmetrische Masse nicht nur auf eine mechanische Beschleunigung in z-Richtung sensitiv ist. Liegt eine mechanische Beschleunigung in x-Richtung an, so wird die asymmetrische Masse fast im selben Maße auch in x-Richtung ausgelenkt. Liegt eine Beschleunigung in y-Richtung vor, so wird die asymmetrische Masse um die z-Rotationsachse verdreht. Auch diese Verdrehung ist bei gleicher absoluter Beschleunigung von ähnlicher Größenordnung. Diese Art der Aufhängung einer asymmetrischen Masse kann daher genutzt werden, um einen in drei Richtungen empfindlichen Beschleunigungssensor mit nur einer beweglichen Masse herzustellen.
Nachteilig an derartigen Anordnungen ist eine relativ geringe Genauigkeit eines derartigen Sensors. Möchte man eine sehr genaue Messung der Beschleunigung in eine Richtung bekommen, werden üblicherweise Sensoren gebaut, die nur in eine Richtung sensitiv sind. In x- und y-Richtung können in der oben erwähnten Technik bewegliche Massen-Feder-Systeme gebaut werden, die in Detektionsrichtung weich und in den dazu senkrechten Richtungen hart aufgehängt sind.
Auf diese Weise ist man in der Lage, hochgenaue Sensoren zu bauen, die eine hohe Genauigkeit aufweisen und sich auch durch Signale in den zu der Detektionsrichtung senkrechten Richtung nicht beeinflussen lassen. Auch viele weitere störende Effekte durch eine Bewegung in eine Nicht-Messrichtung können mit derartigen Aufhängungen gut unterdrückt werden.
Insbesondere können Anschläge für die bewegliche Masse in Messrichtung wohl definiert vorgesehen werden. Damit lassen sich mechanisch sehr robuste Systeme bezüglich Überlast und Klebeneigung bauen.
In z-Sensoren ist es hingegen schwierig, mit einer dicken Polysiliziumschicht-Funktionsschicht, die, wie oben beschrieben, nur mit einem Trench-Prozess strukturiert werden kann, eine Torsionsfeder zu bauen, die einerseits weich bezüglich Torsion aber gleichzeitig hart bezüglich Auslenkung in x-Richtung oder Drehung in z-Richtung ist.
3 zeigt eine Draufsicht und drei Schnittansichten durch eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Dargestellt drei stark vereinfachte Schnittansichten durch die Schnittebenen A-A, B-B und C-C. Man erkennt, dass nunmehr die Torsionsfeder 22 an versteifende Federelemente 23, 24 mechanisch angebunden ist, wobei die Federelemente 23, 24 mit Hilfe von Anbindungselementen 25 mit dem Substrat 10 verbunden ist. Aufgrund der Anbindung der Torsionsfeder 22 an die versteifenden Federelemente 23, 24 ist eine Bewegung der Torsionsfeder 22 in x-Richtung behindert, zugleich ist jedoch eine Elastizität der Torsionsfeder 22 in z-Richtung nach wie vor gegeben.
Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass die Auslenkung der Torsionsfeder 22 senkrecht zur Torsionsachse in x-Richtung je nach Auslegung der Federelemente 23, 24 definiert erschwert bzw. behindert ist. Die Federelemente 23, 24 weisen dabei in z-Richtung eine Höhe auf, die definiert weniger als die Hälfte der maximalen Höhe, vorzugsweise ca. ein Drittel, noch mehr bevorzugt ca. ein Zehntel der Höhe der Torsionsfeder 22 beträgt.
Die Federelemente 23, 24 werden dabei bevorzugt in der Nähe der Torsionsachse an der Torsionsfeder 22 oder an der freigestellten seismischen Masse fixiert. Mittels Anbindungselementen 25 erfolgt die Fixierung der Federelemente 23, 24 am Substrat 10. Auf diese Weise ist die Federsteifigkeit senkrecht zur Substratebene gering, die laterale Steifigkeit (in der Substratebene) jedoch hoch.
In einer nicht in Figuren dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Federelemente 23, 24 derart anzuordnen, dass sie wenigstens teilweise oder auch vollständig unterhalb der beweglichen MEMS-Struktur 21 liegen, wodurch eine flächensparende Bauweise für den mikromechanischen z-Inertialsensor unterstützt ist.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Bei dieser Variante, die vorzugsweise in sehr kleinen und empfindlichen z-Sensoren eingesetzt werden kann, sind die Federelemente 23, 24 mit zueinander orthogonal ausgebildeten Abschnitten ausgebildet. Die genannten Federelemente 23, 24 sind zentral mittels Anbindungselementen 25 am Substrat 10 befestigt.
Auf diese Weise sind in geometrischer Hinsicht sehr lange Federelemente 23, 24 realisiert, die eine noch bessere Elastizität der Torsionsfeder 22 in z-Richtung bereitstellen. Im Ergebnis ist auf diese Weise eine Versteifung der Torsionsfeder 22 in x-Richtung bei verbesserter Elastizität in z-Richtung bereitgestellt.
Bei der in 4 gezeigten Variante der mikromechanischen z-Inertialsensors 100 mit den Federelementen 23, 24 erkennt man ferner, dass diese fachwerkartige Verstärkungsstrukturen 26 aufweisen. Es versteht jedoch von selbst, dass diese lediglich beispielhaft ist und auch andere Verstärkungsstrukturen 26 innerhalb der Federelemente 23, 24 denkbar sind, die z.B. mäanderartig, flächig, abgerundet, usw. (nicht dargestellt) ausgebildet sein können.
Vorzugsweise sind die versteifenden Federelemente 23, 24 in einer Polysiliziumschicht 12 zwischen dem Substrat 10 und der dicken mikromechanischen Funktionsschicht 20 ausgebildet. Bevorzugt werden die feststehenden Gegenelektroden in der gleichen Ebene hergestellt, sodass auf diese Weise zur Herstellung des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors eine effiziente Ressourcenausnutzung ermöglicht ist.
In einer weiteren, nicht den Figuren dargestellten Ausführung des mikromechanischen z-Inertialsensors 100 können die Federelemente 23, 24 auch oberhalb der dicken mikromechanischen Funktionsschicht 20 ausgebildet sein.
Eine weitere Variante der Federelemente 23, 24 sieht vor, dass diese an unterschiedlichen Seiten der Torsionsfeder 22 angebunden sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, das Federelement 23 an einer Unterseite der Torsionsfeder 22 und das Federelement 24 an einer Oberseite der Torsionsfeder 22 anzubinden. Auf diese Weise kommen die Federelemente 23, 24 bezüglich der z-Achse der Wippe auf Höhe des Wippenschwerpunkts zu liegen. Erreicht wird dies dadurch, dass die Federelemente 23, 24 oberhalb und unterhalb der dicken mikromechanischen Funktionsschicht 20 hergestellt werden. Im Ergebnis kann dadurch eine bessere Verwindungssteifigkeit für die Torsionsfeder 22 bereitgestellt werden.
Im Ergebnis wird dadurch erreicht, dass ein Ende der Torsionsfeder 22 mit einem Teil der Federeinrichtung 23, 24, die im Wesentlichen oberhalb der mikromechanischen Funktionsschicht 20 ausgebildet ist, verbunden ist und ein anderes Ende der Torsionsfeder 22 mit einem Teil der Federeinrichtung 23, 24, die im Wesentlichen unterhalb der mikromechanischen Funktionsschicht 20 ausgebildet ist, verbunden ist.
Vorteilhaft kann der vorgeschlagene mikromechanische z-Inertialsensor für alle Arten von z-Beschleunigungssensoren verwendet werden, wobei insbesondere Klebeeffekte bei z-Beschleunigungssensoren mit Querbelastung weitestgehend vermieden werden können.
5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen z-Inertialsensors 100:
In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen einer in einer mikromechanischen Funktionsschicht 20 ausgebildeten beweglichen MEMS-Struktur 21 durchgeführt.
In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen einer mit der beweglichen MEMS-Struktur verbundene Torsionsfeder 22 durchgeführt.
In einem Schritt 220 wird ein Bereitstellen einer mit der Torsionsfeder 22 verbundenen Federeinrichtung 23, 24 derart durchgeführt, dass eine Auslenkung der Torsionsfeder 22 orthogonal zu einer Sensierrichtung der MEMS-Struktur 21 definiert behinderbar ist.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Mikromechanischer z-Inertialsensor (100), aufweisend: - eine in einer mikromechanischen Funktionsschicht (20) ausgebildete - bewegliche MEMS-Struktur (21); - eine mit der beweglichen MEMS-Struktur (21) verbundene Torsionsfeder (22); und - eine mit der Torsionsfeder (22) verbundene Federeinrichtung (23, 24), wobei die Federeinrichtung (23, 24) ausgebildet ist, eine Auslenkung der Torsionsfeder (22) orthogonal zu einer Sensierrichtung der MEMS-Struktur (21) definiert zu behindern.
Mikromechanischer z-Inertialsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe der Federeinrichtung (23, 24) ca. ein Drittel, mehr bevorzugt ca. ein Zehntel einer Höhe der Torsionsfeder (22) beträgt.
Mikromechanischer z-Inertialsensor (100) Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (23, 24) an einem Substrat (10) fixiert ist.
Mikromechanischer z-Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (23, 24) wenigstens teilweise unterhalb der beweglichen MEMS-Struktur (21) angeordnet ist.
Mikromechanischer z-Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (23, 24) in einer zwischen dem Substrat (10) um der mikromechanischen Funktionsschicht (20) ausgebildeten Schicht (12) ausgebildet ist.
Mikromechanischer z-Inertialsensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (23, 24) wenigstens teilweise oberhalb der mikromechanischen Funktionsschicht (20) ausgebildet ist.
Mikromechanischer z-Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Torsionsfeder (22) mit einem Teil der Federeinrichtung (23, 24), die im Wesentlichen oberhalb der mikromechanischen Funktionsschicht (20) ausgebildet ist, verbunden ist und ein anderes Ende der Torsionsfeder (22) mit einem Teil der Federeinrichtung (23, 24), die im Wesentlichen unterhalb der mikromechanischen Funktionsschicht (20) ausgebildet ist, verbunden ist.
Mikromechanischer z-Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (23, 24) orthogonal zueinander ausgerichtete Abschnitte aufweist.
Mikromechanischer z-Inertialsensor (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Element der Federeinrichtung (23, 24) eine Verstärkungsstruktur (26) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen z-Inertialsensor (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen einer in einer mikromechanischen Funktionsschicht (20) ausgebildeten beweglichen MEMS-Struktur (21); - Bereitstellen einer mit der beweglichen MEMS-Struktur verbundene Torsionsfeder (22); und - Bereitstellen einer mit der Torsionsfeder (22) verbundenen Federeinrichtung (23, 24) derart, dass eine Auslenkung der Torsionsfeder (22) orthogonal zu einer Sensierrichtung der MEMS-Struktur (21) definiert behinderbar ist.