DE102022200489A1 - Micromechanical inertial sensor - Google Patents

Micromechanical inertial sensor Download PDF

Info

Publication number
DE102022200489A1
DE102022200489A1 DE102022200489.2A DE102022200489A DE102022200489A1 DE 102022200489 A1 DE102022200489 A1 DE 102022200489A1 DE 102022200489 A DE102022200489 A DE 102022200489A DE 102022200489 A1 DE102022200489 A1 DE 102022200489A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrode
inertial sensor
micromechanical inertial
micromechanical
seismic mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022200489.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Christof Schwenk
Barbara Simoni
Zsombor Cseke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102022200489.2A priority Critical patent/DE102022200489A1/en
Priority to CN202310071146.4A priority patent/CN116466106A/en
Publication of DE102022200489A1 publication Critical patent/DE102022200489A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0802Details
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/0825Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0831Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type having the pivot axis between the longitudinal ends of the mass, e.g. see-saw configuration
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0862Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system

Abstract

Mikromechanischer Inertialsensor (100), aufweisend:- ein Substrat (1) mit einer ersten Elektrode (2); und- ein seismisches Massenelement (10), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des seismischen Massenelements (10) eine zweite Elektrode (3) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (3) bimetallisch ausgebildet ist.Micromechanical inertial sensor (100), comprising:- a substrate (1) with a first electrode (2); and- a seismic mass element (10), characterized in that a second electrode (3) is arranged within the seismic mass element (10), the second electrode (3) being bimetallic.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Inertialsensor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors.The present invention relates to a micromechanical inertial sensor. The present invention also relates to a method for producing a micromechanical inertial sensor.

Stand der TechnikState of the art

Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumerbereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (z.B. in z-Richtung) werden bevorzugt Wippenstrukturen genutzt. Das Sensorprinzip dieser Wippen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche seismische Masse mit zwei auf einem Substrat fixierten Gegenelektroden zwei Plattenkondensatoren bildet. Die seismische Masse ist über mindestens eine, aus Symmetriegründen üblicherweise zwei Torsionsfedern mit der Unterlage verbunden.Micromechanical inertial sensors for measuring acceleration and yaw rate are mass-produced for various applications in the automotive and consumer sectors. Rocker structures are preferred for capacitive acceleration sensors with a detection direction perpendicular to the wafer plane (e.g. in the z-direction). The sensor principle of these seesaws is based on a spring-mass system in which, in the simplest case, a movable seismic mass forms two plate capacitors with two counter-electrodes fixed on a substrate. The seismic mass is connected to the base via at least one torsion spring, usually two torsion springs for reasons of symmetry.

Homogener, temperaturabhängiger Offset (engl. temperature coefficient of offset, TCO, angegeben in mgal/K) sowie inhomogener, temperaturgradienten-abhängiger Offset (engl. temperature gradient of offset, TGO) derartiger Inertialsensoren sind wichtige Leistungsparameter, der sowohl beim Design von MEMS-Kernen als auch beim Packaging berücksichtigt werden. Eine Reduzierung der genannten Offset-Effekte kann z.B. über eine Materialauswahl („ein weicherer Klebstoff überträgt möglicherweise weniger Stress“), beim Chipdesign („ein dickeres Substrat ist möglicherweise biegebeständiger“) oder beim Kerndesign („eine höhere Empfindlichkeit macht den Sensor möglicherweise genauer“) erfolgen.Homogeneous, temperature-dependent offset (temperature coefficient of offset, TCO, specified in mgal/K) as well as inhomogeneous, temperature gradient-dependent offset (temperature gradient of offset, TGO) of such inertial sensors are important performance parameters, which are important both in the design of MEMS cores as well as packaging. A reduction in the offset effects mentioned can be achieved, for example, by selecting a material (“a softer adhesive may transfer less stress”), chip design (“a thicker substrate may be more resistant to bending”) or core design (“higher sensitivity may make the sensor more accurate” ) take place.

Eine weitere Möglichkeit, die Sensoren auf temperaturinduzierte Fehler vorzubereiten, ist die Verwendung von ASIC-Funktionalitäten, wie z.B. Offset-Cancelling. Diese Methoden funktionieren in der Regel zwar gut, in einigen Fällen reichen ihre Fähigkeiten aber nicht aus. Darüber hinaus ist die Leistungsfähigkeit des ASIC in der Regel ein Flaschenhals, weil nur eine begrenzte Anzahl von Funktionen im ASIC implementiert werden kann. Eine alternative Lösung kann ein temperaturabhängiges Trimmen der Sensoren sein.Another way to prepare the sensors for temperature-induced errors is to use ASIC functionalities such as offset canceling. While these methods usually work well, in some cases their capabilities fall short. In addition, the performance of the ASIC is usually a bottleneck because only a limited number of functions can be implemented in the ASIC. An alternative solution can be a temperature-dependent trimming of the sensors.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten mikromechanischen Inertialsensor bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide an improved micromechanical inertial sensor.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Inertialsensor, aufweisend:

  • - ein Substrat mit einer ersten Elektrode; und
  • - ein seismisches Massenelement, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des seismischen Massenelements eine zweite Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode bimetallisch ausgebildet ist.
According to a first aspect, the object is achieved with a micromechanical inertial sensor, having:
  • - a substrate with a first electrode; and
  • - A seismic mass element, characterized in that a second electrode is arranged within the seismic mass element, the second electrode being bimetallic.

Sich ändernde Temperatur verursacht in der Regel eine Bewegung des Substrats und einer auf der seismischen Masse angeordneten Elektrode. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein Kompensationseffekt realisiert werden. Auf diese Weise wird eine bimetallische Elektrodenstruktur zum Kompensieren einer aufgrund von Wärme verursachten Verbiegung der seismischen Masse realisiert. Mittels der bimetallischen Elektrode kann der oben genannte temperaturabhängige Offset des mikromechanischen MEMS-Sensors verbessert sein. Der erzielte Effekt ist somit eine Elektrodenbewegung innerhalb der seismischen Masse und repräsentiert dadurch gewissermaßen einen „kodierten TCO innerhalb des Sensors“.Changing temperature typically causes movement of the substrate and an electrode placed on the seismic mass. A compensation effect can advantageously be realized in this way. In this way, a bimetallic electrode structure for compensating for thermally induced deflection of the seismic mass is realized. The aforementioned temperature-dependent offset of the micromechanical MEMS sensor can be improved by means of the bimetallic electrode. The effect achieved is thus an electrode movement within the seismic mass and thus represents a kind of "coded TCO within the sensor".

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors, aufweisend die Schritte:

  • - Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten Elektrode; und
  • - Bereitstellen eines seismisches Massenelement, wobei innerhalb des seismischen Massenelements eine zweite, bimetallisch ausgebildete Elektrode angeordnet wird.
According to a second aspect, the object is achieved with a method for producing a micromechanical inertial sensor, having the steps:
  • - providing a substrate having a first electrode; and
  • - Provision of a seismic mass element, a second bimetallic electrode being arranged within the seismic mass element.

Bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the proposed micromechanical inertial sensor are the subject of dependent claims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Elektrode in Siliziummaterial eingeschlossenes Oxidmaterial aufweist.An advantageous development of the micromechanical inertial sensor is characterized in that the second electrode has oxide material enclosed in silicon material.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Elektrode wenigstens ein Metall, insbesondere Aluminium und/oder Nitrid aufweist.An advantageous development of the micromechanical inertial sensor is characterized in that the second electrode has at least one metal, in particular aluminum and/or nitride.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Elektrode als ein Balkenelement ausgebildet ist, das an seiner Unterseite plattenförmige, voneinander beabstandete Elemente aufweist. Vorteilhaft ist durch diese spezifische Formgebung eine leichte Deformierbarkeit der zweiten Elektrode unterstützt.A further advantageous development of the micromechanical inertial sensor is characterized in that the second electrode is designed as a bar element which has plate-shaped elements spaced apart from one another on its underside. Is advantageous through this specific Shaping supports a slight deformability of the second electrode.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Elektrode in einer ersten Funktionsschicht ausgebildet ist. Durch die Mischung aus unterschiedlichen Materialien kommt das vorgeschlagene bimetallische Verhalten zustande, das die vorteilhaften Effekte zur Folge hat.A further advantageous development of the micromechanical inertial sensor is characterized in that the first electrode is formed in a first functional layer. The proposed bimetallic behavior comes about through the mixture of different materials, which results in the advantageous effects.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode wenigstens einen einzigen Block aus Oxid-Material aufweist.A further advantageous development of the micromechanical inertial sensor is characterized in that the second electrode has at least a single block made of oxide material.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Inertialsensors sind dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode wenigstens zwei Blöcke von Oxid-Material aufweist.Further advantageous developments of the micromechanical inertial sensor are characterized in that the second electrode has at least two blocks of oxide material.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Inertialsensors sind dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Hohlraum zwischen den wenigstens zwei Blöcken aus Oxid-Material ausgebildet sind. Durch die dadurch realisierte größere Anzahl an verwendeten Blöcken von Oxid-Material erreicht man eine umso größere Deformation, wodurch ein effizientes Dimensionierungstool zur Verfügung steht.Further advantageous developments of the micromechanical inertial sensor are characterized in that at least one cavity is formed between the at least two blocks of oxide material. The resulting larger number of blocks of oxide material used means that the deformation is all the greater, as a result of which an efficient dimensioning tool is available.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Inertialsensors sind dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor ein in-Plane Sensor oder ein out of plane Sensor ist.Further advantageous developments of the micromechanical inertial sensor are characterized in that the inertial sensor is an in-plane sensor or an out-of-plane sensor.

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 detail below with further features and advantages on the basis of several figures. Elements that are the same or have the same function have the same reference symbols. The figures are intended in particular to clarify the principles which are essential to the invention and are not necessarily drawn to scale. For the sake of better clarity, it can be provided that not all of the reference symbols are drawn in in all of the figures.

Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Inertialsensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors ergeben und umgekehrt.Disclosed method features result analogously from corresponding disclosed device features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and embodiments relating to the micromechanical inertial sensor result in an analogous manner from corresponding embodiments, features and advantages of the method for producing a micromechanical inertial sensor and vice versa.

In den Figuren zeigt:

  • 1 einen stark vereinfachten konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor mit asymmetrischer Wippenstruktur;
  • 2 Ansichten eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors mit einer Erläuterung des dabei verwendeten Wirkungsprinzips;
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines bimetallischen Balkens, der den vorgeschlagenen Kompensationseffekt generiert;
  • 4, 5 Querschnittsansicht ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors;
  • 6, 7 Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors;
  • 8, 9 Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors;
  • 10 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors; und
  • 11 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors.
In the figures shows:
  • 1 a greatly simplified conventional micromechanical z-inertial sensor with an asymmetric rocker structure;
  • 2 Views of a proposed micromechanical inertial sensor with an explanation of the operating principle used;
  • 3 a perspective view of a bimetallic bar that generates the proposed compensation effect;
  • 4 , 5 Cross-sectional view of the first embodiment of the proposed micromechanical inertial sensor;
  • 6 , 7 Cross-sectional view of a second embodiment of the proposed micromechanical inertial sensor;
  • 8th , 9 Cross-sectional view of a third embodiment of the proposed micromechanical inertial sensor;
  • 10 a plan view of a fourth embodiment of the proposed micromechanical inertial sensor; and
  • 11 a basic sequence of a method for producing a proposed micromechanical inertial sensor.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines an sich bekannten mikromechanischen Inertialsensors 100 mit einem in einer zweiten Funktionsschicht 20 asymmetrisch ausgebildeten seismischen Massenelement 5 in Form einer Wippe, die mittels eines Torsionselements 4 (z.B. Torsionsfeder) tordierbar ausgebildet ist. Man erkennt in einer ersten mikromechanischen Funktionsschicht 10 ausgebildete erste Detektionselektroden 2a, 2b die mit in einer zweiten Funktionsschicht 20 ausgebildeten zweiten Elektroden 3a, 3b interagieren. Derartige Inertialsensoren nach dem Wippenprinzip sind einfach konstruiert und weit verbreitet. Eine wesentliche Begrenzung der Offsetstabilität kann allerdings durch parasitäre Effekte hervorgerufen werden, die durch eine Verbiegung des Substrats (nicht dargestellt) verursacht werden. 1 shows a perspective view of a micromechanical inertial sensor 100 known per se with a seismic mass element 5 formed asymmetrically in a second functional layer 20 in the form of a rocker which is formed torsionally by means of a torsion element 4 (eg torsion spring). One recognizes first detection electrodes 2a, 2b formed in a first micromechanical functional layer 10, which interact with second electrodes 3a, 3b formed in a second functional layer 20. Such inertial sensors based on the rocker principle have a simple design and are widespread. However, a significant limitation of the offset stability can be caused by parasitic effects caused by bending of the substrate (not shown).

Die Grundstruktur von 1 wird verwendet, um eine Variante des vorgeschlagenen Sensors 100 im Detail anhand von Figuren detailliert zu erläutern.The basic structure of 1 is used to explain in detail a variant of the proposed sensor 100 in detail with reference to figures.

Vorgeschlagen wird, eine bimetallische Struktur innerhalb eines beweglichen Elements eines MEMS-Sensors 100 vorzusehen. Mit einem geeigneten Design kann die entgegengesetzte Bewegung der Elektroden erreicht werden, als sie durch die äußere Verformung verursacht wird. Üblicherweise sind mindestens zwei verschiedene Arten von Materialien im Herstellungsprozess, nämlich Silizium-Material und Oxid-Material vorhanden. Obwohl das Oxid-Material in der Regel am Ende des Herstellungsprozesses weggeätzt wird, und nur Restoxide mit einer kaum kontrollierbaren Form vorhanden sind, besteht bis zu einem gewissen Grad die Möglichkeit, verkapselte Bereiche mit Oxid-Material zu erzeugen. Diese Regionen stellen einen „Antrieb“ des bimetallischen Effekts dar. Ein solcher Bimetallstrahl repräsentiert einen Halter einer Elektrode, so dass sich die Elektrode zusammen mit der Temperatur bewegen und der äußeren Bewegung folgen kann.It is proposed to provide a bimetallic structure within a moveable element of a MEMS sensor 100 . With proper design, the opposite movement of the electrodes than that caused by the external deformation can be achieved. Usual Usually there are at least two different types of materials in the manufacturing process, namely silicon material and oxide material. Although the oxide material is usually etched away at the end of the manufacturing process, leaving only residual oxides of a shape that is difficult to control, there is a certain possibility of creating encapsulated areas with oxide material. These regions represent a "drive" of the bimetallic effect. Such a bimetallic jet represents a holder of an electrode, allowing the electrode to move with temperature and follow external movement.

2 zeigt in einer Querschnittsansicht (obere Abbildung von 1) und in einer Draufsicht (untere Abbildung von 1) ein stark vereinfachtes Wirkprinzip der vorgeschlagenen Offsetkompensation mittels einer zweiten, bimetallisch ausgebildeten Elektrode 3. Man erkennt ein asymmtrisches seismisches Massenelement 5. Aufgrund von thermischer Verformung verbiegt sich das Substrat (nicht dargestellt) mit der ersten Elektrode 2, wodurch eine Kapazitätsänderung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 3 entsteht. Als Reaktion auf die thermische Verbiegung verbiegt sich auch die im seismischen Massenelement 5 angeordnete bimetallische Elektrode 3, wodurch im Ergebnis der genannte Offset kompensiert werden kann. In der linken Hälfte des Sensors wird ein Gap zwischen dem Substrat und dem seismischen Massenelement 5 größer, im rechten Hälfte hingegen geringer. 2 shows in a cross-sectional view (upper figure of 1 ) and in a plan view (bottom figure of 1 ) a greatly simplified operating principle of the proposed offset compensation by means of a second, bimetallic electrode 3. An asymmetrical seismic mass element 5 can be seen. Due to thermal deformation, the substrate (not shown) bends with the first electrode 2, causing a change in capacitance between the first electrode and the second electrode 3 is formed. As a reaction to the thermal bending, the bimetallic electrode 3 arranged in the seismic mass element 5 also bends, as a result of which the cited offset can be compensated for. A gap between the substrate and the seismic mass element 5 becomes larger in the left half of the sensor, but smaller in the right half.

Daraus resultiert vorteilhaft insbesondere ein mikromechanischer Inertialsensor mit verbesserter Offsetstabilität und Sensiercharakteristik.This advantageously results in particular in a micromechanical inertial sensor with improved offset stability and sensing characteristics.

3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer im seismischen Massenelement 5 (nicht dargestellt) bimetallischen Elektrode 3 von 1 in einem höheren Detaillierungsgrad, die innerhalb des seismischen Massenelements 5 angeordnet ist. Man erkennt, dass die Metallschicht ein Balkenelement 3c aufweist, das mittels zweier Ankerelemente 3d, 3e gehalten wird und an dessen Unterseite plattenförmigen, voneinander separierte Elemente 3f....3n aufweist. 3 shows a perspective view of a in the seismic mass element 5 (not shown) bimetallic electrode 3 of FIG 1 in a higher level of detail, which is arranged within the seismic mass element 5. It can be seen that the metal layer has a bar element 3c, which is held by means of two anchor elements 3d, 3e and has plate-shaped elements 3f...3n that are separated from one another on its underside.

Durch die plattenförmigen Elemente 3f...3n ist eine leichte Deformierbarkeit der zweiten, bimetallisch ausgebildeten Elektrode 3 unterstützt, wodurch eine hohe Bewegbarkeit des gesamten seismischen Massenelements 5 unterstützt ist. Das Balkenelement 3c ist in einer ersten (unteren) Funktionsschicht 10 aus Poly-Silizium ausgebildet, die Oxid-Materialien sind in oberen, dickeren Funktionsschichten aus Poly-Silizium des mikromechanischen Inertialsensors 100 ausgebildet.The plate-shaped elements 3f . . . 3n support easy deformability of the second, bimetallic electrode 3, which supports high mobility of the entire seismic mass element 5. The bar element 3c is formed in a first (lower) functional layer 10 made of polysilicon; the oxide materials are formed in upper, thicker functional layers made of polysilicon of the micromechanical inertial sensor 100. FIG.

4 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors 100. Man erkennt ein thermisches Oxid 1a, eine darüber angeordnete erste Funktionsschicht 10 und eine darüber angeordnete Funktionsschicht 20, wobei in der dritten Funktionsschicht 30 Blöcke aus Oxid-Material angeordnet sind, die die dritte Elektrode 3 repräsentieren. Diese generieren einen bimetallischen Effekt, sodass bei einer Verbiegung des Substrats (nicht dargestellt) aufgrund von einer Erwärmung zuvor von thermischer Energie eine Auslenkung des Materials stattfindet und damit auch der Elektroden 2, 3. Man erkennt, dass die Blöcke aus Oxidmaterial auf der rechten zur schweren Seite der asymmetrischen Wippe ausgebildet sind. 4 shows a cross section through a first embodiment of the proposed micromechanical inertial sensor 100. One can see a thermal oxide 1a, a first functional layer 10 arranged thereabove and a functional layer 20 arranged thereabove, with blocks of oxide material being arranged in the third functional layer 30, the third Represent electrode 3. These generate a bimetallic effect, so that when the substrate (not shown) bends due to thermal energy previously being heated, the material and thus also the electrodes 2, 3 are deflected heavy side of the asymmetrical rocker are formed.

5 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Querschnittsansicht von 4 dargestellt sind Silizium-Durchkontakte durch die zweite und dritte Funktionsschicht 20, 30, die sozusagen die Blöcke aus Oxid-Material einschließen. 5 shows an enlarged view of the cross-sectional view of FIG 4 Silicon vias are shown through the second and third functional layers 20, 30, which so to speak enclose the blocks of oxide material.

6 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors 100. Man erkennt, dass nunmehr die beiden Blöcke mit Oxid-Material getrennt sind und die unterhalb des seismischen Massenelements 5 kein Substrat vorhanden ist. Im Ergebnis ist dadurch eine noch größere Bewegungsfreiheit für die Elektroden unterstützt. 6 FIG. 1 shows a cross-sectional view through a further embodiment of the proposed micromechanical inertial sensor 100. It can be seen that the two blocks with oxide material are now separated and that there is no substrate underneath the seismic mass element 5. FIG. As a result, an even greater freedom of movement for the electrodes is supported.

7 zeigt die Ansicht von 6 in einem höheren Auflösungsgrad. Man erkennt, dass die beiden Blöcke aus Oxid-Material in der dritten Funktionsschicht 30 und ein Block aus Oxid-Material oberhalb der ersten Funktionsschicht 10 und unterhalb der zweiten Funktionsschicht 20 angeordnet sind. 7 shows the view from 6 at a higher level of resolution. It can be seen that the two blocks of oxide material are arranged in third functional layer 30 and one block of oxide material is arranged above first functional layer 10 and below second functional layer 20 .

8 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors 100. Man erkennt bei dieser Variante, dass die Blöcke aus Oxid-Material zwar miteinander verbunden sind dazwischen aber durch wenigstens einen Hohlraum 6a...6n voneinander getrennt sind. Dadurch entsteht eine weitere Gestaltungsvariante zur Erzeugung des gewünschten bimetallischen Effekts. 8th shows a cross-sectional view through a further embodiment of the proposed micromechanical inertial sensor 100. It can be seen in this variant that the blocks of oxide material are connected to one another but are separated from one another by at least one cavity 6a...6n. This creates a further design variant for generating the desired bimetallic effect.

9 zeigt die Variante von 8 in einem höheren Auflösungsgrad. Man erkennt, dass die Durchkontaktierungen zwischen der dritten Funktionsschicht 30 und der zweiten Funktionsschicht 20, die den Block aus Oxid-Material einschließen, sowie durch Kontakte zwischen der zweiten Funktionsschicht 20 und der ersten Funktionsschicht 10, die die Blöcke aus Oxid-Material einschließen. 9 shows the variant of 8th at a higher level of resolution. It can be seen that the vias between the third functional layer 30 and the second functional layer 20, which enclose the block of oxide material, and through contacts between the second functional layer 20 and the first functional layer 10, which enclose the blocks of oxide material.

Im Ergebnis wird durch die oben genannten Varianten der 4 bis 9 mehrere Gestaltungsmöglichkeiten bereitgestellt, um den gewünschten bimetallischen Effekt zu erzeugen.As a result, the variants mentioned above 4 until 9 several design opportunities provided to create the desired bimetallic effect.

Sobald es bekannt oder geschätzt ist (z.B. mittels Simulation oder aus Messungen, z.B. nach dem Festlegen des Verpackungsdesigns), kann eine bestimmte TCO-Kompensation mit der Dimensionierung der Struktur eingestellt werden. Eine Amplitude der Auslenkung der bimetallischen Elektrode kann z.B. durch folgende Parameter dimensioniert werden:

  • - Länge der zweiten, bimetallisch ausgebildeten Elektrode 3
  • - Länge des gekapselten Oxid-Materials im Balkenelement 3c
  • - Form und Abmessung der Plattenelemente 3f...3n
  • - Abstände zwischen den Plattenelementen 3f... 3n
  • - Dicke des verkapselten Oxid-Materials
Once it is known or estimated (e.g. by means of simulation or from measurements, e.g. after finalizing the packaging design), a certain TCO compensation can be adjusted with the dimensioning of the structure. An amplitude of the deflection of the bimetallic electrode can be dimensioned by the following parameters, for example:
  • - Length of the second bimetallic electrode 3
  • - Length of encapsulated oxide material in beam element 3c
  • - Shape and dimensions of the plate elements 3f...3n
  • - Distances between the plate elements 3f... 3n
  • - Thickness of encapsulated oxide material

Die genannten, lediglich beispielhaften Parameter kann auf einfache Weise in bestehende Designs implementiert werden, wodurch eine Vielzahl von mikromechanischen Sensoren gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip realisiert werden können.The parameters mentioned, which are only exemplary, can be implemented in existing designs in a simple manner, as a result of which a large number of micromechanical sensors can be implemented according to the proposed principle.

In den 4 bis 9 sind Varianten zur Bereitstellung verkapselter Oxidbereiche für einen Out-of-Plane-Kanal dargestellt. Vorteilhaft können durch unterschiedliche Varianten genutzt werden, um den bimetallischen Effekt zu erhöhen, wobei mehr Schichten für die Ausbildung der bimetallischen Elektrode genutzt werden.In the 4 until 9 variants for providing encapsulated oxide regions for an out-of-plane channel are shown. Different variants can advantageously be used to increase the bimetallic effect, with more layers being used to form the bimetallic electrode.

Um einen bimetallischen Effekt in der MEMS-Struktur zu erzeugen, können nicht nur das Silizium und Oxidmaterial verwendet werden, sondern auch Metalle (z.B. Aluminium) und Nitride, die abgeschieden und strukturiert werden können.In order to create a bimetallic effect in the MEMS structure, not only the silicon and oxide material can be used, but also metals (e.g. aluminum) and nitrides that can be deposited and patterned.

Das vorgeschlagene Kompensationsprinzip ist vorteilhaft nicht nur, wie vorgehend erläutert, auf mikromechanische out-of-plane-Inertialsensoren anwendbar, sondern kann vorteilhaft auch auf mikromechanische in-plane-Inertialsensoren angewendet werden, bei denen sich das seismische Massenelement 5 in der Ebene bewegt.The proposed compensation principle is advantageously applicable not only to micromechanical out-of-plane inertial sensors, as explained above, but can also be advantageously applied to micromechanical in-plane inertial sensors in which the seismic mass element 5 moves in the plane.

10 zeigt eine Draufsicht auf einen derartigen mikromechanischen in-plane-Inertialsensor 100. Man erkennt ein seismisches Massenelement 5, das in x-Richtung auslenkbar ist und Detektionselektroden mit kammartigen Strukturen, die mit kammartigen Strukturen des seismischen Massenelements 5 funktional interagieren und dadurch die Auslenkung des seismischen Massenelements 5 erfassen und auswerten. 10 shows a top view of such a micromechanical in-plane inertial sensor 100. A seismic mass element 5 can be seen, which can be deflected in the x-direction and detection electrodes with comb-like structures that functionally interact with comb-like structures of the seismic mass element 5 and thereby the deflection of the seismic Capture and evaluate mass element 5.

Dies stellt eine Kapazitätsänderungseinheit mit der bimetallischen Elektrode neben einem lateralen Kern dar, so dass auch in diesem Fall durch die zweite bimetallische Elektrode 3 eine Kapazitätsänderung aufgrund von thermischer Verformung kompensiert werden kann.This represents a capacitance change unit with the bimetallic electrode next to a lateral core, so that a capacitance change due to thermal deformation can also be compensated for in this case by the second bimetallic electrode 3 .

11 zeigt in prinzipieller Weise einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Inertialsensors 100. 11 shows in principle a sequence of a method for producing a proposed micromechanical inertial sensor 100.

In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats 1 mit einer ersten Elektrode 2.In a step 200, a substrate 1 with a first electrode 2 is provided.

In einem Schritt 210 erfolgt ein Bereitstellen eines seismischen Massenelements 5, wobei innerhalb des seismischen Massenelements 5 eine zweite, bimetallisch ausgebildete Elektrode 3 angeordnet wird.In a step 210, a seismic mass element 5 is provided, with a second, bimetallic electrode 3 being arranged inside the seismic mass element 5. FIG.

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 that are not disclosed or only partially disclosed without departing from the core of the invention.

Claims (10)

Mikromechanischer Inertialsensor (100), aufweisend: - ein Substrat mit einer ersten Elektrode (2); und - ein seismisches Massenelement (5), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des seismischen Massenelements (5) eine zweite Elektrode (3) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (3) bimetallisch ausgebildet ist.Micromechanical inertial sensor (100), comprising: - a substrate with a first electrode (2); and - a seismic mass element (5), characterized in that a second electrode (3) is arranged within the seismic mass element (5), the second electrode (3) being bimetallic. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) in Siliziummaterial eingeschlossenes Oxidmaterial aufweist.Micromechanical inertial sensor (100) according to claim 1 , characterized in that the second electrode (3) has oxide material enclosed in silicon material. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) wenigstens ein Metall, insbesondere Aluminium und/oder Nitrid aufweist.Micromechanical inertial sensor (100) according to claim 1 , characterized in that the second electrode (3) has at least one metal, in particular aluminum and/or nitride. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) als ein Balkenelement (3c) ausgebildet ist, das an seiner Unterseite plattenförmige, voneinander beabstandete Elemente (3f...3n) aufweist.Micromechanical inertial sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second electrode (3) is designed as a bar element (3c) which has plate-shaped, spaced-apart elements (3f...3n) on its underside. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode in einer ersten Funktionsschicht (10) Schicht ausgebildet ist.Micromechanical inertial sensor (100) according to claim 4 , characterized in that the first electrode is formed in a first functional layer (10) layer. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) wenigstens einen einzigen Block aus Oxid-Material aufweist.Micromechanical inertial sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second electrode (3) has at least a single block of oxide material. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) wenigstens zwei Blöcke von Oxid-Material aufweist.Micromechanical inertial sensor (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the second electrode (3) has at least two blocks of oxide material. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten ein Hohlraum (6a...6n) zwischen den wenigstens zwei Blöcken aus Oxid-Material ausgebildet sind.Micromechanical inertial sensor (100) according to 7, characterized in that at least one cavity (6a...6n) is formed between the at least two blocks of oxide material. Mikromechanischer Inertialsensor (100) nach 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor (100) ein in-Plane Sensor oder ein out-of-plane Sensor ist.Micromechanical inertial sensor (100) according to 8, characterized in that the inertial sensor (100) is an in-plane sensor or an out-of-plane sensor. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensor (100), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer ersten Elektrode (2); und - Bereitstellen eines seismisches Massenelement (5), wobei innerhalb des seismischen Massenelements (5) eine zweite, bimetallisch ausgebildete Elektrode (3) angeordnet wird.Method for producing a micromechanical inertial sensor (100), comprising the steps: - Providing a substrate (1) with a first electrode (2); and - Providing a seismic mass element (5), a second bimetallic electrode (3) being arranged within the seismic mass element (5).
DE102022200489.2A 2022-01-18 2022-01-18 Micromechanical inertial sensor Pending DE102022200489A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022200489.2A DE102022200489A1 (en) 2022-01-18 2022-01-18 Micromechanical inertial sensor
CN202310071146.4A CN116466106A (en) 2022-01-18 2023-01-16 Micromechanical inertial sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022200489.2A DE102022200489A1 (en) 2022-01-18 2022-01-18 Micromechanical inertial sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022200489A1 true DE102022200489A1 (en) 2023-07-20

Family

ID=86990771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022200489.2A Pending DE102022200489A1 (en) 2022-01-18 2022-01-18 Micromechanical inertial sensor

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN116466106A (en)
DE (1) DE102022200489A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112007000210T5 (en) 2006-01-19 2008-11-06 Advantest Corp. Contact device and method of making the same
US20140211366A1 (en) 2012-09-20 2014-07-31 Wispry, Inc. Micro-electro-mechanical system (mems) variable capacitor apparatuses and related methods
US20150008788A1 (en) 2008-07-09 2015-01-08 The Royal Institution For The Advancement Of Learning / Mcgill University Low temperature ceramic microelectromechanical structures

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112007000210T5 (en) 2006-01-19 2008-11-06 Advantest Corp. Contact device and method of making the same
US20150008788A1 (en) 2008-07-09 2015-01-08 The Royal Institution For The Advancement Of Learning / Mcgill University Low temperature ceramic microelectromechanical structures
US20140211366A1 (en) 2012-09-20 2014-07-31 Wispry, Inc. Micro-electro-mechanical system (mems) variable capacitor apparatuses and related methods

Also Published As

Publication number Publication date
CN116466106A (en) 2023-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0732594B1 (en) Fabrication method for micromechanical semiconductor devices
DE19639946B4 (en) Micromechanical component
DE19617666B4 (en) Micromechanical rotation rate sensor
DE102008043524B4 (en) Accelerometer and process for its manufacture
DE19537814B4 (en) Sensor and method for producing a sensor
EP0721587B1 (en) Micromechanical device and process for producing the same
DE102010008044B4 (en) MEMS microphone and method of manufacture
DE102008043788A1 (en) Micromechanical component
DE19906067A1 (en) Semiconductor sensor detecting and measuring e.g. acceleration, yaw rate or vibration
DE102009029095A1 (en) Micromechanical component
DE19526903A1 (en) Rotation rate sensor with which acceleration sensor is arranged on oscillator
DE102009000407A1 (en) Sensor device and method of manufacturing a sensor device
DE102010029645A1 (en) Micromechanical component having a test structure for determining the layer thickness of a spacer layer and method for producing such a test structure
EP1963227A1 (en) Micromechanical component and production method
EP0494143B1 (en) Device for measuring mechanical forces and dynamic effects
DE102011011160B4 (en) Micromechanical component and manufacturing process for a micromechanical component
DE102012217133A1 (en) Microelectronic component and corresponding manufacturing method
DE102011006422A1 (en) Micromechanical component and production method for a micromechanical component
WO2018069028A1 (en) Micromechanical sensor comprising a stress decoupling structure
DE19536228B4 (en) Microelectronic integrated sensor and method of manufacturing the sensor
DE4228795C2 (en) Yaw rate sensor and manufacturing method
DE10000368A1 (en) Micromechanical structure, in particular for an acceleration sensor or rotation rate sensor, and corresponding manufacturing method
DE102022200489A1 (en) Micromechanical inertial sensor
DE102018217841A1 (en) Micromechanical inertial sensor
DE102013222836B4 (en) 1Microelectromechanical component and corresponding manufacturing process

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified