DE102018211547A1 - Micromechanical sensor - Google Patents
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Abstract
Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend:
- ein Substrat;
- ein auf dem Substrat angeordnetes Kappenelement; und
- wenigstens ein im Kappenelement angeordnetes auslenkbares Element (20), wobei innerhalb des Kappenelements ein gegenüber der Umgebung definiert erhöhter Innendruck herrscht; gekennzeichnet durch
- ein innerhalb des Kappenelements angeordnetes, nicht mit dem auslenkbaren Element (20) verbundenes Symmetrieelement (40), welches ausgebildet ist, im Betrieb des mikromechanischen Sensors (100) eine fluiddynamische Symmetrie für das auslenkbare Element (20) bereitzustellen.
Micromechanical sensor (100), comprising:
- a substrate;
- A cap element arranged on the substrate; and
- At least one deflectable element (20) arranged in the cap element, an increased internal pressure defined in relation to the environment prevailing inside the cap element; marked by
- A symmetry element (40) arranged within the cap element and not connected to the deflectable element (20), which is designed to provide a fluid dynamic symmetry for the deflectable element (20) during operation of the micromechanical sensor (100).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors.The present invention relates to a micromechanical sensor. The present invention further relates to a method for producing a micromechanical sensor.
Stand der TechnikState of the art
MEMS-Beschleunigungssensoren mit einer geometrisch symmetrischen Wippenstruktur (d.h. mit auf beiden Seiten einer Symmetrieachse gleich langen Dreharmen) besitzen typischerweise eine unterschiedliche Lochstruktur auf den beiden Seiten, wodurch eine unterschiedliche Massenverteilung erreicht wird. Infolge der unterschiedlichen Massenverteilung der Wippenstruktur kann bei Einwirkung einer Beschleunigung ein Drehmoment entstehen, welches erfasst und ausgewertet wird.MEMS acceleration sensors with a geometrically symmetrical rocker structure (i.e. with rotating arms of the same length on both sides of an axis of symmetry) typically have a different hole structure on the two sides, as a result of which a different mass distribution is achieved. As a result of the different mass distribution of the rocker structure, a torque can occur when an acceleration is applied, which is recorded and evaluated.
Vorteilhaft sind konstruktive Varianten mit mehreren Funktionsschichten, die auf einer ersten Seite aus einem Vollmaterial (d.h. mit zwei übereinander angeordneten Funktionsschichten) und auf der zweiten Seite bis auf einen äußeren Rahmen und/oder anderen Verstärkungselementen nur aus der unteren, in der Regel dünneren, Funktionsschicht bestehen.Constructive variants with several functional layers are advantageous, which on the first side are made of a solid material (ie with two functional layers arranged one above the other) and on the second side apart from an outer frame and / or other reinforcing elements only from the lower, usually thinner, functional layer consist.
Auch für diese Konstruktionsformen besitzen die beiden Seiten der Wippe im Bereich der seismischen Masse vertikale Löcher. Diese „Perforation“ ermöglicht eine Erleichterung der Prozessführung bei einer Ätzung der Opferschicht. Durch die unterschiedlichen Perforationen auf beiden Seiten kann auch die thermische Empfindlichkeit reduziert werden.For these construction forms, too, the two sides of the rocker have vertical holes in the area of the seismic mass. This “perforation” facilitates process control when the sacrificial layer is etched. Due to the different perforations on both sides, the thermal sensitivity can also be reduced.
Neben der Nutzung unterschiedlich strukturierter aber mechanisch miteinander verbundener Funktionsschichten zur Herstellung von symmetrischen Wippenstrukturen werden mehrere Funktionsschichten auch zur Herstellung von Differential-Kondensatoren in Vertikalanordnung genutzt. Dafür werden diese Funktionsschichten mechanisch und elektrisch getrennt und besitzen unterschiedliche Anbindungen an das Substrat.In addition to the use of differently structured but mechanically interconnected functional layers for the production of symmetrical rocker structures, several functional layers are also used for the production of differential capacitors in a vertical arrangement. For this purpose, these functional layers are mechanically and electrically separated and have different connections to the substrate.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mikromechanischen Sensor mit verbesserten fluiddynamischen Eigenschaften bereit zu stellen.It is therefore an object of the present invention to provide a micromechanical sensor with improved fluid dynamic properties.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend:
- - ein Substrat;
- - ein auf dem Substrat angeordnetes Kappenelement; und
- - wenigstens ein im Kappenelement angeordnetes auslenkbares Element, wobei innerhalb des Kappenelements ein gegenüber der Umgebung definiert erhöhter Innendruck herrscht; gekennzeichnet durch
- - ein innerhalb des Kappenelements angeordnetes, nicht mit dem auslenkbaren Element verbundenes Symmetrieelement, welches ausgebildet ist, im Betrieb des mikromechanischen Sensors eine fluiddynamische Symmetrie für das auslenkbare Element bereitzustellen.
- - a substrate;
- - A cap element arranged on the substrate; and
- - At least one deflectable element arranged in the cap element, an increased internal pressure prevailing in the cap element relative to the surroundings; marked by
- a symmetry element arranged within the cap element and not connected to the deflectable element, which is designed to provide a fluid dynamic symmetry for the deflectable element during operation of the micromechanical sensor.
Das Symmetrieelement ist dabei ausschließlich dazu vorgesehen, die ganze Anordnung in fluiddynamischer Hinsicht zu symmetrisieren. Vorteilhaft kann dadurch erreicht werden, dass fluiddynamische Effekte für das auslenkbare Element harmonisiert sind. Im Ergebnis wird dadurch erreicht, dass Differenzdrücke innerhalb des Kappenelements möglichst gleichmäßig ausgebildet sind und dadurch eine Betriebscharakteristik des Sensors wesentlich verbessert sein kann.The symmetry element is only intended to symmetrize the whole arrangement in terms of fluid dynamics. It can advantageously be achieved that fluid dynamic effects are harmonized for the deflectable element. The result of this is that differential pressures within the cap element are formed as uniformly as possible and thereby one Operating characteristics of the sensor can be significantly improved.
Auf diese Weise wird für den mikromechanischen Sensor vorteilhaft eine verbesserte Unempfindlichkeit gegenüber thermischen Effekten realisiert. Im Ergebnis ist dadurch ermöglicht, dass der Sensor ausschließlich aufgrund von mechanischen Inertialkräften ausgelenkt wird und nicht aufgrund von Kraftwirkungen, die aufgrund von thermischen Fluideffekten erzeugt wurden.In this way, an improved insensitivity to thermal effects is advantageously realized for the micromechanical sensor. As a result, it is possible for the sensor to be deflected solely on the basis of mechanical inertial forces and not on the basis of force effects which have been generated due to thermal fluid effects.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Substrats;
- - Bereitstellen eines auf dem Substrat angeordneten Kappenelements;
- - Bereitstellten wenigstens eines im Kappenelement angeordneten auslenkbaren Elements, wobei innerhalb des Kappenelements ein gegenüber der Umgebung definiert erhöhter Innendruck bereitgestellt wird; und
- - Bereitstellen eines innerhalb des Kappenelements angeordneten, nicht mit dem auslenkbaren Element verbundenen Symmetrieelements, welches ausgebildet wird, im Betrieb des mikromechanischen Sensors eine fluiddynamische Symmetrie für das auslenkbare Element bereitzustellen.
- - providing a substrate;
- - Providing a cap element arranged on the substrate;
- - Provided at least one deflectable element arranged in the cap element, an increased internal pressure being defined in relation to the surroundings being provided within the cap element; and
- Providing a symmetry element which is arranged within the cap element and is not connected to the deflectable element and which is designed to provide a fluid dynamic symmetry for the deflectable element during operation of the micromechanical sensor.
Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the micromechanical sensor are the subject of dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass das auslenkbare Element eine Wippe ist. Auf diese Weise wird ein vorteilhafter Anwendungsfall einer fluiddynamischen Symmetrierung für einen z-Inertialsensor bereitgestellt.An advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the deflectable element is a rocker. In this way, an advantageous application of fluid dynamic balancing for a z inertial sensor is provided.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Symmetrieelement mittels wenigstens eines Anbindungselements am Substrat fixiert ist. Vorzugsweise wird dies dadurch realisiert, dass das Anbindungselement durch Öffnungen des beweglichen Elements geführt ist und dadurch eine Art „Pilzstruktur“ innerhalb des Kappenelements realisiert wird.Another advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the symmetry element is fixed to the substrate by means of at least one connection element. This is preferably implemented in that the connecting element is guided through openings in the movable element and a type of “mushroom structure” is thereby implemented within the cap element.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Symmetrieelement mittels wenigstens eines Anbindungselements durch einen Rahmen des Kappenelements fixiert ist. Dadurch wird eine alternative Ausführungsform bereitgestellt, welche vorsieht, dass das Symmetrieelement mittels wenigstens eines Anbindungselements, welches durch Öffnungen eines Rahmens des Kappenelements nach außen geführt ist, fixiert ist. Eine designmäßige Vielfalt des mikromechanischen Sensors ist dadurch vorteilhaft unterstützt.Another advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the symmetry element is fixed by means of at least one connecting element by a frame of the cap element. This provides an alternative embodiment, which provides that the symmetry element is fixed by means of at least one connecting element which is guided outwards through openings in a frame of the cap element. This advantageously supports a design-related variety of the micromechanical sensor.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass das Symmetrieelement mittels wenigstens eines Anbindungselements am Kappenelement fixiert ist. Dadurch wird eine weitere Realisierungsvariante für die fluiddynamische Symmetrisierungs-Element bereitgestellt.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the symmetry element is fixed to the cap element by means of at least one connecting element. This provides a further implementation variant for the fluid dynamic symmetrization element.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Symmetrieelements Massen zu beiden Seiten einer Symmetrieachse des auslenkbaren Elements im Wesentlichen identisch sind. Dadurch wird eine spezifische Dimensionierung des Symmetrieelements realisiert, mit dem die fluiddynamische Symmetrierung optimierbar ist.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that, by means of the symmetry element, masses on both sides of an axis of symmetry of the deflectable element are essentially identical. This realizes a specific dimensioning of the symmetry element with which the fluid dynamic symmetrization can be optimized.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sind dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eines aus: Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Drucksensor ist. Dadurch kann das vorgeschlagene Konzept vorteilhaft für unterschiedliche Typen von mikromechanischen Sensoren verwendet werden.Further advantageous developments of the micromechanical sensor are characterized in that the sensor is one of: acceleration sensor, rotation rate sensor, pressure sensor. As a result, the proposed concept can advantageously be used for different types of micromechanical sensors.
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.The invention is described in more detail below with further features and advantages using several figures. Identical or functionally identical elements have the same reference symbols. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily carried out to scale. For the sake of clarity, it can be provided that not all reference numbers are drawn in all the figures.
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 Sensors in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend den mikromechanischen Sensor ergeben und umgekehrt.Process features disclosed arise analogously from corresponding disclosed device features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and designs relating to the method for producing a micromechanical sensor result analogously from corresponding designs, features and advantages relating to the micromechanical sensor and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors; -
2 eine Querschnittsansicht durch eine Wippenstruktur eines konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensors; -
3 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors von1 ; und -
4 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors.
-
1 a plan view of an embodiment of a proposed micromechanical sensor; -
2 a cross-sectional view through a rocker structure of a conventional micromechanical z inertial sensor; -
3 a cross-sectional view of an embodiment of the proposed micromechanical sensor of FIG1 ; and -
4 a basic sequence of a method for producing a proposed micromechanical sensor.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine Verbesserung einer radiometrischen Auslegung für mikromechanische Sensoren bereitzustellen.A key idea of the present invention is, in particular, to provide an improvement in a radiometric design for micromechanical sensors.
Dies wird durch eine Symmetrierung von fluiddynamisch relevanten Strukturen des Sensors erreicht, wodurch zeitliche Auftriebseffekte in MEMS-Strukturen minimiert werden, die bei Vorliegen einer Wärmequelle entstehen können. Dadurch können vorteilhaft unerwünschte Änderungen von Sensorparametern, wie z.B. Ausgangs-Offsets, vermieden bzw. wenigstens minimiert werden.This is achieved by symmetrizing the structures of the sensor that are relevant to fluid dynamics, as a result of which time buoyancy effects in MEMS structures are minimized, which can arise if a heat source is present. As a result, undesirable changes in sensor parameters, such as e.g. Output offsets, avoided or at least minimized.
Die genannten Auftriebseffekte entsteht entweder bei asymmetrischen Geometrien des Sensors durch gleichmäßig einwirkende thermische Effekte und/oder bei symmetrischen Geometrien des Sensors durch unsymmetrisch einwirkende thermische Effekte. Denkbar sind auch Mischformen beider genannten Varianten.The above-mentioned buoyancy effects arise either in the case of asymmetrical geometries of the sensor due to uniformly acting thermal effects and / or in the case of symmetrical geometries of the sensor due to asymmetrical acting thermal effects. Mixed forms of both variants mentioned are also conceivable.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf MEMS-Elemente, die hermetisch innerhalb eines Kappenelements versiegelt sind, und deren Innendruck sich im Kontinuumsbereich der Fluiddynamik befindet, der dadurch charakterisiert ist, dass Gasmoleküle eher miteinander, als mit den Wänden des Kappenelements interagieren.The invention relates in particular to MEMS elements which are hermetically sealed within a cap element and whose internal pressure is in the continuum range of fluid dynamics, which is characterized in that gas molecules interact with one another rather than with the walls of the cap element.
Das ist auch der Grund, warum sich im Molekülgefüge ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellt. Wenn die Gase stark verdünnt sind, interagieren die Moleküle eher mit den Wänden des Kappenelements und die Dynamik wird von diesen Stößen dominiert. Gaszustände verbreiten sich in so einem Fall nicht über den Sensor. Durch die Anbringung einer symmetrisierenden Struktur wird die lokale Gasdichte beeinflusst und somit genau jener Bereich, in welchem der Sensor arbeitet.This is also the reason why a thermodynamic equilibrium is established in the molecular structure. When the gases are highly diluted, the molecules tend to interact with the walls of the cap member and the dynamics are dominated by these bumps. In such a case, gas states do not spread via the sensor. The local gas density is influenced by the application of a symmetrizing structure and thus exactly the area in which the sensor works.
Wird bei derartigen MEMS-Elementen das Wärmegleichgewicht gestört, (z.B. durch das Aus- und Einschalten einer benachbarten, elektronisch aktiven Schaltung), so muss sich ein neues Druckgleichgewicht ausbilden. Ist die Struktur nicht symmetrisch in seinen fluiddynamisch relevanten Teilen, so können in der Zeit bis zur Einstellung des neuen Gleichgewichts transiente, fluiddynamische Effekte beobachtet werden. Im Ergebnis entstehen auf diese Weise an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Sensors aufgrund von unterschiedlichen Erwärmungen unterschiedliche Drücke, die ein Fehlsignal des Sensors bewirken können.If the thermal balance of such MEMS elements is disturbed (e.g. by switching an adjacent, electronically active circuit on and off), a new pressure balance must be established. If the structure is not symmetrical in its fluid dynamically relevant parts, transient, fluid dynamic effects can be observed in the time until the new equilibrium is established. As a result, different pressures, which can cause an incorrect signal from the sensor, arise in this way at different points within the sensor due to different heating.
Ein weiteres Beispiel eines solchen Effekts sind Kennlinien von mikromechanischen Sensoren, die mit einer Einlaufdrift behaftet sind, wie sie z.B. bei MEMS-Beschleunigungssensoren auftreten. Derartige Sensoren verwenden in der Regel eine asymmetrische Masse und eine symmetrische Detektionsfläche.Another example of such an effect are characteristic curves of micromechanical sensors which are subject to run-in drift, as they are e.g. occur with MEMS acceleration sensors. Such sensors generally use an asymmetrical mass and a symmetrical detection area.
Vorgeschlagen wird, durch Anbringung einer nicht mit der beweglichen Masse verbundenen perforierten Masse, die gesamte Anordnung in fluiddynamischer Hinsicht zu symmetrisieren.It is proposed, by attaching a perforated mass that is not connected to the movable mass, to symmetrize the entire arrangement in terms of fluid dynamics.
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Maßnahme erfolgt mit Bezug auf einen typischen z-Beschleunigungssensor für automotive Applikationen. Denkbar ist aber auch, dass die vorgeschlagene Maßnahme für andere, nicht in Figuren dargestellte gekapselte Sensoren verwendet werden kann, die bewegliche mikromechanische Elemente aufweisen und die einen vom Umgebungsdruck unterschiedlichen Innendruck aufweisen.The following detailed description of the measure according to the invention takes place with reference to a typical z-acceleration sensor for automotive applications. However, it is also conceivable that the proposed measure can be used for other encapsulated sensors, not shown in the figures, which have movable micromechanical elements and which have an internal pressure that differs from the ambient pressure.
Die beweglichen MEMS-Strukturen (seismische Masse in Form der Wippe) werden in einem Herstellungsprozess mit einem Kappenwafer (nicht dargestellt) versiegelt. Je nach Anwendung wird innerhalb des dadurch verschlossenen Volumens ein geeigneter, gegenüber der Umgebung definiert erhöhter 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 eine Wippenstruktur ausgebildet, die über die Torsionsfeder
Eine weitere nicht in Figuren dargestellte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors
Eine weitere alternative Ausführungsform sieht vor, dass das Symmetrieelement
Alle vorgenannten Varianten ermöglichen im Ergebnis eine Anbringung eines fluiddynamisch symmetrisierenden Massenelements
Obwohl vorgehend die Verbesserung der radiometrischen Auslegung für konstruktive Varianten von Beschleunigungssensoren mit einer Wippenstruktur auf Basis von mehreren Funktionsschichten offenbart ist, die lateral auf einer ersten Seite aus Vollmaterial (beide Funktionsschichten übereinander) und auf der zweiten Seite, bis auf einen äußeren Rahmen und/oder anderen Verstärkungselementen, nur aus der unteren, typischerweise dünneren Funktionsschicht bestehen, ist das vorgeschlagene Konzept der verbesserten radiometrischen Auslegung nicht nur für derartige Sensoren umsetzbar.
Vorteilhaft kann die Erfindung für sämtliche mikromechanischen Sensoren mit in einer Kappe unter einem definiert erhöhten Innendruck eingeschlossenen beweglichen Elementen realisiert werden. Beispielsweise kann die Erfindung dadurch für Drucksensoren mit einer beweglichen Membran, für Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, usw. realisiert werden.Although the improvement of the radiometric design for design variants of acceleration sensors with a rocker structure based on a plurality of functional layers is disclosed above, which is laterally on a first side made of solid material (both functional layers one above the other) and on the second side, except for an outer frame and / or other reinforcing elements, consisting only of the lower, typically thinner functional layer, the proposed concept of the improved radiometric design cannot only be implemented for such sensors.
The invention can advantageously be implemented for all micromechanical sensors with movable elements enclosed in a cap under a defined increased internal pressure. For example, the invention can thereby be implemented for pressure sensors with a movable membrane, for acceleration sensors, rotation rate sensors, etc.
Dynamische Effekte, die dadurch entstehen, dass an der Wippe zwischen der Ober- und Unterseite unterschiedliche Temperaturen oder Temperaturgradienten anliegen und Gasströme im Sensor generiert werden, können dadurch vorteilhaft symmetrisiert werden. Dadurch kann im Ergebnis eine Verkippung der Wippe aufgrund von thermischen Effekten zumindest verringert, idealerweise gänzlich vermieden werden.Dynamic effects that result from the fact that different temperatures or temperature gradients are present on the rocker between the top and bottom and gas flows are generated in the sensor can advantageously be symmetrized. As a result, tilting of the rocker due to thermal effects can at least be reduced, ideally avoided altogether.
Ein Offsetverhalten eines derartig ausgebildeten z-Inertialsensors lässt sich im Ergebnis deutlich verbessern.An offset behavior of a z-inertial sensor designed in this way can be significantly improved in the result.
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Es versteht sich von selbst, dass die Reihenfolge der genannten Schritte in geeigneter Weise auch vertauscht werden kann.It goes without saying that the sequence of the steps mentioned can also be swapped in a suitable manner.
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.Although the invention has been described above on the basis of specific exemplary embodiments, the person skilled in the art can also implement embodiments which have not been disclosed or only partially disclosed without departing from the essence of the invention.
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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