DE102022200489A1 - Micromechanical inertial sensor - Google Patents
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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.
- - 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.
- - 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.
-
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
Die Grundstruktur von
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
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.
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
Im Ergebnis wird durch die oben genannten Varianten der
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
- - 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
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
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
In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats 1 mit einer ersten Elektrode 2.In a
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
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.
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