DE102022211665A1

DE102022211665A1 - Mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag

Info

Publication number: DE102022211665A1
Application number: DE102022211665.8A
Authority: DE
Inventors: Denis Gugel; Cristian Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-04
Filing date: 2022-11-04
Publication date: 2024-05-08

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substrat (10) mit einer Substratebene, mit einer ersten Zwischenschicht (20) über dem Substrat,- mit einer ersten Funktionsschicht (30) über der ersten Zwischenschicht, mit einer zweiten Zwischenschicht (40) über der ersten Funktionsschicht, mit einer zweiten Funktionsschicht (50) über der zweiten Zwischenschicht, mit einer beweglichen mikromechanischen Struktur (300), welche wenigstens in der ersten Funktionsschicht gebildet ist, mit einer festen mikromechanischen Struktur (100), welche wenigstens in der ersten Funktionsschicht und in der zweiten Funktionsschicht gebildet ist.Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die zweite Funktionsschicht der festen mikromechanischen Struktur und die erste Funktionsschicht der beweglichen mikromechanischen Struktur sich in einer Projektion senkrecht zur Substratebene teilweise überdecken, wobei die feste mikromechanische Struktur in einer Ebene der ersten Funktionsschicht parallel zur Substratebene von der beweglichen mikromechanischen Struktur umschlossen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substrat mit einer Substratebene, mit einer ersten Zwischenschicht über dem Substrat, mit einer ersten Funktionsschicht über der ersten Zwischenschicht, mit einer zweiten Zwischenschicht über der ersten Funktionsschicht, mit einer zweiten Funktionsschicht über der zweiten Zwischenschicht, mit einer beweglichen mikromechanischen Struktur, welche wenigstens in der ersten Funktionsschicht gebildet ist, mit einer festen mikromechanischen Struktur, welche wenigstens in der ersten Funktionsschicht und in der zweiten Funktionsschicht gebildet ist. Aus der Veröffentlichung DE 10 2012 223 016 A1 ist eine derartige Vorrichtung in Gestalt eines z-Beschleunigungssensors mit zwei mikromechanischen Funktionsschichten bekannt.
Zur Begrenzung einer Auslenkung der beweglichen mikromechanischen Struktur senkrecht zur Substratebene, also in z-Richtung, sind auf dem Substrat verankerte mikromechanische Strukturen als Anschläge bekannt. Die Veröffentlichung DE 10 2013 222 747 A1 offenbart eine Anschlagsstruktur in Form eines Steigbügels.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es einen robusten Anschlag, insbesondere einen z-Anschlag für eine bewegliche mikromechanische Struktur über einem Substrat zu schaffen.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Substrat mit einer Substratebene, mit einer ersten Zwischenschicht über dem Substrat, mit einer ersten Funktionsschicht über der ersten Zwischenschicht, mit einer zweiten Zwischenschicht über der ersten Funktionsschicht, mit einer zweiten Funktionsschicht über der zweiten Zwischenschicht, mit einer beweglichen mikromechanischen Struktur, welche wenigstens in der ersten Funktionsschicht gebildet ist, mit einer festen mikromechanischen Struktur, welche wenigstens in der ersten Funktionsschicht und in der zweiten Funktionsschicht gebildet ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die zweite Funktionsschicht der festen mikromechanischen Struktur und die erste Funktionsschicht der beweglichen mikromechanischen Struktur sich in einer Projektion senkrecht zur Substratebene teilweise überdecken.
Die Erfindung schafft einen robusten z-Anschlag mit einer gleichmäßigeren Kraftverteilung beim Anschlagen der ersten Funktionsschicht der beweglichen Struktur an die zweite Funktionsschicht der festen Struktur.
Die neue Pilz-Struktur des Anschlags der mikromechanischen Vorrichtung ist in sich abgeschlossen und unabhängig, sodass sie mehrfach, verteilt und unabhängig voneinander an verschiedenen Orten der mikromechanischen Vorrichtung platziert werden können. Dies hat den Vorteil, dass das dynamische Anschlagsverhalten der beweglichen Struktur gezielt beeinflusst und optimiert werden kann. Beispielsweise können die Pilz-förmigen Stopper direkt in die seismische Masse eines Inertialsensors integriert werden, um die kinetische Energie der Masse direkt an ihrem Ursprungsort zu begrenzen.
Zusätzlich kann die neue Struktur eine Anschlagsfunktion in alle Lateralrichtungen ermöglichen.
Technologiebedingt können an der FL2-Schicht scharfe, spitze und fragile Ecken und Kanten entstehen, welche im Falle eines mechanischen Kontakts ausbrechen und zu einer Fehlfunktion des Sensors führen können. Zum Schutz dieser kritischen Bereiche und zur Verringerung des Stopperspaltes weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die bewegliche mikromechanische Struktur an einer Unterseite ihrer zweiten Funktionsschicht wenigstens eine erste Anschlagsstruktur auf, welche zur ersten Funktionsschicht der beweglichen mikromechanischen Struktur mit einem ersten Abstand senkrecht zur Substratebene benachbart angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist diese Anschlagsstruktur ringförmig vorspringend aus dem Material der zweiten Funktionsschicht oder aus einer eigenen Schicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die bewegliche mikromechanische Struktur auch in der zweiten Funktionsschicht gebildet ist und parallel zur Substratebene benachbart zur zweiten Funktionsschicht der festen mikromechanischen Struktur mit einem zweiten Abstand angeordnet ist. Vorteilhaft können so Lateralanschläge geschaffen werden. Ist die bewegliche Struktur um die feste Struktur herum auch noch in der zweiten Zwischenschicht gebildet, sind die Lateralanschläge noch robuster. Sowohl die Umfangslänge als auch die Kontaktfläche der zweiten Zwischenschicht ist auf der beweglichen Seite deutlich größer, sodass beim Anschlagen mechanische Stöße auf eine größere Fläche oder eine längere Kante verteilt und kritische Belastungsspitzen reduziert werden (5 a).
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Abstand zwischen der zweiten Funktionsschicht der feststehenden Struktur und der beweglichen Struktur überall gleich groß, so wirkt der Anschlag in alle Lateralrichtungen gleich (5 und 7).
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Abstand zwischen der zweiten Funktionsschicht der feststehenden Struktur und der beweglichen Struktur nicht in allen Lateralrichtungen gleich, beispielsweise indem lokal zweite Anschlagsstrukturen vorgesehen sind. So kann der Abstand an definierten Stellen reduziert oder vergrößert werden (6b).
Des Weiteren ist die neue Topologie nicht auf exakt kreisförmige Pilzstrukturen limitiert, sondern es können beispielsweise auch elliptische oder rechteckige Strukturen mit Verrundungen realisiert werden (7). Damit lassen sich Anschläge realisieren, welche in z-Richtung nicht nur eine Punkt-, sondern eine Linien-Wirkung aufweisen.
Zeichnung

1 zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor mit zwei Funktionsschichten im Stand der Technik.
2 zeigt schematisch ausschnittsweise einen weiteren z-Beschleunigungssensor mit zwei Funktionsschichten und Steigbügel-förmigen Anschlägen im Stand der Technik.
Die 3 a und b zeigen schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag [ ] in einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die 4 a und b zeigen schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag [ ] in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die 5 a und b zeigen schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag [ ] in einem dritten Ausführungsbeispiel.
Die 6 a und b zeigen schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag [ ] in einem vierten Ausführungsbeispiel.
7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag [ ] in einem fünften Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Figuren
1 zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor mit zwei Funktionsschichten im Stand der Technik, wie beispielsweise in der Veröffentlichung DE 10 2012 223 016 A1 offenbart. Über einem Substrat 10 sind erste Zwischenschichten 20 angeordnet und teilweise wieder weggeätzt. Über der ersten Zwischenschicht 20 ist eine erste mikromechanische Funktionsschicht 30 angeordnet. Darüber ist eine zweite Zwischenschicht 40 angeordnet und teilweise wieder weggeätzt. Über der zweiten Zwischenschicht ist eine dicke zweite Funktionsschicht 50 angeordnet. Vornehmlich in der ersten Funktionsschicht und der zweiten Funktionsschicht sind mikromechanische Strukturen wie eine bewegliche z-Wippe und feststehende Elektroden gebildet.
2 zeigt schematisch ausschnittsweise einen weiteren z-Beschleunigungssensor mit zwei Funktionsschichten und Steigbügel-förmigen Anschlägen im Stand der Technik, wie beispielsweise in der Veröffentlichung DE 10 2013 222 747 A1 offenbart.
2 a zeigt einen Arm einer mikromechanischen z-Wippe, welche aus einer ersten Funktionsschicht 30 und einer zweiten Funktionsschicht 50 gebildet ist. 2 b zeigt ausschnittsweise eine Anschlagsstruktur in Gestalt eines Steigbügels. Eine feste mikromechanische Struktur 100, welche in der zweiten Funktionsschicht 50 gebildet ist schlägt dabei an eine erste Funktionsschicht 30 einer beweglichen mikromechanischen Struktur 300, nämlich an den Boden der Wippe an.
Die 3 a und b zeigen schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag [ ] in einem ersten Ausführungsbeispiel.
3 a zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung senkrecht zur Substratebene. Dargestellt ist eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Substrat 10 mit einer ersten Zwischenschicht 20 über dem Substrat, einer ersten Funktionsschicht 30 über der ersten Zwischenschicht, einer zweiten Zwischenschicht 40 über der ersten Funktionsschicht und einer zweiten Funktionsschicht 50 über der zweiten Zwischenschicht. Die Vorrichtung weist eine bewegliche mikromechanische Struktur 300 auf, die in der ersten Funktionsschicht gebildet ist. Eine feste mikromechanische Struktur 100, die in allen genannten Schichten gebildet und auf dem Substrat verankert ist, dient als Stopper oder mechanischer Anschlag für Auslenkungen der beweglichen Struktur. Die zweite Funktionsschicht der festen mikromechanischen Struktur und die erste Funktionsschicht der beweglichen mikromechanischen Struktur sich in einer Projektion senkrecht zur Substratebene teilweise überdecken. Die feste mikromechanische Struktur 100 ist parallel zur Substratebene von der beweglichen mikromechanischen Struktur 300 umschlossen.
3 b zeigt eine teildurchlässige Draufsicht auf die Vorrichtung. Die feste mikromechanische Struktur 100 weist jeweils in allen Schichten in einer Projektion senkrecht zur Substratebene, insbesondere in der ersten Funktionsschicht einen kreisförmigen Umriss auf. Dieser ist komplementär zu einem kreisförmigen Loch in der ersten Funktionsschicht der beweglichen Struktur.
Die feste mikromechanische Struktur hat die Form eines Pilzes. Der Pilz besteht aus einer großen, runden und feststehenden Struktur in der zweiten Funktionsschicht, der Kappe 100, 50, welche über die zweite Zwischenschicht, die erste Funktionsschicht und die erste Zwischenschicht mit dem Substrat verbunden ist. Diese Schichten bilden den Stiel. Die Kappe des Pilzes ragt über die bewegliche Struktur, die in der ersten Funktionsschicht gebildet ist hinaus, wodurch ein Hinterschnitt ähnlich dem des Steigbügels entsteht. Im Überlastfall wird die Unterseite der Kappe mit der Oberseite der beweglichen Struktur in Kontakt kommen und deren Bewegung verringern bzw. begrenzen. Der Spalt, dieser als Anschlag fungierenden Struktur, ist durch den ersten Abstand 310 gebildet, welcher durch die Dicke der zweiten Zwischenschicht 40 definiert ist.
Die 4 a und b zeigen schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag [ ] in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
4 a zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung senkrecht zur Substratebene. 4 b zeigt eine teildurchlässige Draufsicht auf die Vorrichtung.
Die gezeigte Vorrichtung ist ähnlich der aus dem ersten Beispiel. Technologiebedingt können im Herstellprozess an der zweiten Funktionsschicht 50 scharfe, spitze und fragile Ecken und Kanten entstehen, welche im Falle eines mechanischen Kontakts ausbrechen und zu einer Fehlfunktion der mikromechanischen Vorrichtung führen können. Zum Schutz dieser kritischen Bereiche und zur Verringerung des ersten Abstands 310 ist an der Unterseite der Pilzkappe 100, 50 eine ringförmige erste Anschlagsstruktur 350 angeordnet. Diese kann durch eine lokale ringförmige Absenkung der zweiten Funktionsschicht 50 gebildet sein oder durch eine andere eigene Schicht.
Die 5 a und b zeigen schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit mechanischem Anschlag [ ] in einem dritten Ausführungsbeispiel.
5 a zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung senkrecht zur Substratebene. 5 b zeigt eine teildurchlässige Draufsicht auf die Vorrichtung.
Die gezeigte Vorrichtung ist ähnlich der aus dem zweiten Beispiel. In diesem Beispiel ist die bewegliche mikromechanische Struktur 300 auch in der zweiten Zwischenschicht 40 und in der zweiten Funktionsschicht 50 gebildet. Sie ist in Richtung parallel zur Substratebene benachbart zur zweiten Funktionsschicht 50 der festen mikromechanischen Struktur 100 mit einem zweiten Abstand 320 angeordnet. So können auch Lateralanschläge realisiert werden. Ist der Abstand zwischen dem stehenden Teil und dem beweglichen Teil der zweiten Funktionsschicht am Umfang der Pilzkappe überall gleich groß, wirkt der Anschlag in alle Lateralrichtungen gleich.
Die 6 a und b zeigen schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung [ ] in einem vierten Ausführungsbeispiel.
6 a zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung senkrecht zur Substratebene. 6 b zeigt eine teildurchlässige Draufsicht auf die Vorrichtung.
Die gezeigte Vorrichtung ist ähnlich der aus dem dritten Beispiel.
Soll der Anschlag nicht in alle Lateralrichtungen gleich sein, so kann der zweite Abstand 320 an definierten Stellen reduziert oder vergrößert werden. Dazu können zweite Anschlagsstrukturen 360 beispielsweise in Form von Noppen oder Streifen an der Oberfläche der zweiten Funktionsschicht 50 der beweglichen Struktur 300 angeordnet sein.
7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung [ ] in einem fünften Ausführungsbeispiel in teildurchlässiger Draufsicht.
Die gezeigte Vorrichtung ist ähnlich der aus dem dritten Beispiel. Die neue Form des Anschlags, ist nicht auf exakt kreisförmige Pilzstrukturen limitiert, sondern es können situationsbedingt auch elliptische oder rechteckige Strukturen mit Verrundungen realisiert werden. Damit lassen sich Anschläge realisieren, welche in z-Richtung nicht nur eine Punkt-, sondern eine Linien-Wirkung aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt, sondern kann sinnvoll adaptiert werden. So ist beispielsweise die erste Zwischenschicht nicht auf eine einzige Schicht beschränkt, sondern kann auch eine Mehrzahl von Schichten repräsentieren. Ebenso die zweite Zwischenschicht. Anschlagsstrukturen wie Noppen, Ringe, Streifen, Flächen, etc. werden nach den Erfordernissen der mechanischen Belastung einerseits und den Problemen des Anhaftens von mikromechanischen Strukturen aneinander andererseits ausgewählt und ausgelegt. Erste Anschlagsstrukturen können auch an der beweglichen mikromechanischen Struktur angeordnet sein. Zweite Anschlagsstrukturen können auch an der festen mikromechanischen Struktur angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

10: Substrat
20: Erste Zwischenschicht
30: Erste Funktionsschicht
40: Zweite Zwischenschicht
50: Zweite Funktionsschicht
100: feste mikromechanische Struktur
130: erste Ausdehnung
150: zweite Ausdehnung
300: bewegliche mikromechanische Struktur
310: erster Abstand
320: zweiter Abstand
350: erste Anschlagsstruktur
360: zweite Anschlagsstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012223016 A1 [0001, 0012]
DE 102013222747 A1 [0002, 0013]

Claims

Mikromechanische Vorrichtung - mit einem Substrat (10) mit einer Substratebene, - mit einer ersten Zwischenschicht (20) über dem Substrat, - mit einer ersten Funktionsschicht (30) über der ersten Zwischenschicht, - mit einer zweiten Zwischenschicht (40) über der ersten Funktionsschicht, - mit einer zweiten Funktionsschicht (50) über der zweiten Zwischenschicht, - mit einer beweglichen mikromechanischen Struktur (300), welche wenigstens in der ersten Funktionsschicht gebildet ist, - mit einer festen mikromechanischen Struktur (100), welche wenigstens in der ersten Funktionsschicht und in der zweiten Funktionsschicht gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht der festen mikromechanischen Struktur und die erste Funktionsschicht der beweglichen mikromechanischen Struktur sich in einer Projektion senkrecht zur Substratebene teilweise überdecken, wobei die feste mikromechanische Struktur in einer Ebene der ersten Funktionsschicht parallel zur Substratebene von der beweglichen mikromechanischen Struktur umschlossen ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feste mikromechanische Struktur (100) in der ersten Funktionsschicht (30) eine erste Ausdehnung (130) und in der zweiten Funktionsschicht (50) eine zweite Ausdehnung 150 parallel zur Substratebene aufweist, wobei die erste Ausdehnung kleiner als die zweite Ausdehnung ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht (50) dicker ist als die erste Funktionsschicht (30).
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche mikromechanische Struktur (300), mit einer Unterseite ihrer zweiten Funktionsschicht (50) zur ersten Funktionsschicht (30) der beweglichen mikromechanischen Struktur (300) weisend, mit einem ersten Abstand (310) senkrecht zur Substratebene benachbart angeordnet ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche mikromechanische Struktur (300) an einer Unterseite ihrer zweiten Funktionsschicht (50) wenigstens eine erste Anschlagsstruktur (350) aufweist, welche zur ersten Funktionsschicht (30) der beweglichen mikromechanischen Struktur (300) mit einem ersten Abstand (310) senkrecht zur Substratebene benachbart angeordnet ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche mikromechanische Struktur (300) auch in der zweiten Funktionsschicht (50) gebildet ist und parallel zur Substratebene benachbart zur zweiten Funktionsschicht (50) der festen mikromechanischen Struktur (100) mit einem zweiten Abstand (320) angeordnet ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche mikromechanische Struktur (300) wenigstens eine zweite Anschlagsstruktur (360) aufweist, die parallel zur Substratebene benachbart zur zweiten Funktionsschicht (50) der festen mikromechanischen Struktur (100) mit einem zweiten Abstand (320) angeordnet ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feste mikromechanische Struktur (100) in der ersten Funktionsschicht (30) und/oder in der zweiten Funktionsschicht (50) in einer Projektion senkrecht zur Substratebene einen kreisförmigen Umriss aufweist.