DE19639946A1 - Mikromechanisches Bauelement - Google Patents

Mikromechanisches Bauelement

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der WO 92/03740 ist bereits ein mikromechanisches Bauelement bekannt, welches ein plattenförmiges Substrat mit einer Oberfläche aufweist. Auf der Oberfläche ist als Oberflächenmikrostruktur ein Beschleunigungssensor ausgebildet. Der Beschleunigungssensor weist ein einstückiges bewegliches Element auf, welches durch mehrere Verbindungsbereiche auf der Oberfläche des Substrats befestigt ist. Die Verbindungsbereiche sind dabei an den äußeren Enden der einstückigen beweglichen Oberflächenstruktur angeordnet. Die bewegliche Struktur weist Elektroden auf, die durch eine Beschleunigung bewegt werden. Weiterhin sind feststehende Elektroden vorgesehen, wobei jede dieser starren Elektroden durch einen einzelnen Verbindungsbereich auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sind. Auch diese Verbindungsbereiche sind dabei derart angeordnet, daß große Abstände zwischen den Verbindungsbereichen bestehen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mechanische Spannungen in der Oberflächenstruktur verringert werden. Dies gilt im besonderen Maße wenn für die Oberflächenstruktur und für das Substrat unterschiedliche Materialien verwendet werden.
Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Bauelements möglich. Bei mehreren Verbindungsbereichen wird durch die Anordnung aller Verbindungsbereiche im geringen Abstand zueinander das thermische Verhalten des Bauelements verbessert. Durch Verwendung eines beweglichen Elements mit beweglichen Elektroden und starren Elektroden wird ein mikromechanisches Bauelement geschaffen, welches für eine Vielzahl von Aktoren oder Sensoren verwendbar ist. Zur weiteren Verringerung von thermischen Effekten sollten dabei die starren Elektroden mit weiteren Verbindungsbereichen befestigt werden, die untereinander und zu den Verbindungsbereichen der Oberflächenstruktur einen geringen Abstand aufweisen. Durch die Verwendung von Aufhängbalken können komplette und große Bauelemente realisiert werden.
Weiterhin kann so für die Herstellung der Oberflächenstruktur auch ein Material verwendet werden, welches in sich unter mechanischen Spannungen steht.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 ein mikromechanischen Bauelement nach dem Stand der Technik, die Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele für mikromechanische Bauelemente in der Aufsicht und die Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 2 und 3.
Beschreibung
In der Fig. 1 wird der aus der WO 92/03740 bekannte Beschleunigungssensor noch einmal schematisch dargestellt. Der Sensor weist ein Substrat 50 auf, auf dem eine Oberflächenstruktur befestigt ist. Die Oberflächenstruktur besteht aus den Verankerungsbereichen 51, den daran befestigten Biegezungen 52, dem daran befestigten Zentralbalken 55 und den am Zentralbalken 55 befestigten beweglichen Elektroden 53. Den beweglichen Elektroden 53 sind gegenüberliegende starre Elektroden 54 angeordnet, die jeweils durch eigene Verankerungsbereiche 51 mit dem Substrat 50 verbunden sind. Die Funktionsweise dieses Beschleunigungssensors ist in der WO 92/03740 beschrieben. Der Sensor weist eine einstückige Oberflächenstruktur auf, die durch die Biegefedern 52, den Zentralbalken 55 und die beweglichen Elektroden 53 gebildet wird. Diese einstückige Oberflächenstruktur erstreckt sich mit einer lateralen Ausdehnung über das Substrat 50 und ist an den äußeren Enden der lateralen Ausdehnung durch Verbindungsbereiche 51 mit dem Substrat 50 verbunden. Wenn sich das Material für die Oberflächenstruktur von dem Material des Substrats unterscheidet, so kann es zu Verspannungen zwischen der Oberflächenstruktur und dem Substrat 50 kommen. Eine derartige Verspannung kann beispielsweise dadurch entstehen, daß das Substrat einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der Oberflächenstruktur oder aber, daß das Material der Oberflächenstruktur bereits mit inneren Spannungen beispielsweise Druckspannungen hergestellt wurde. Da die Biegefedern 52 die vergleichsweise schwächsten Elemente sind, werden sich derartige mechanisch Spannungen bevorzugt in diesen Bereichen abbauen, was zu Verformungen der Biegefedern 52 führen kann. Weitere mechanische Spannungen können durch die Montage des Sensorelements in einem Gehäuse, beispielsweise durch Kleben oder Löten entstehen.
In der Fig. 2 wird in der Aufsicht ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement gezeigt, das ein Substrat 1 und eine darauf angeordnete Oberflächenstruktur 3 aufweist. In der Fig. 4 wird ein Querschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 1 gezeigt. Wie in der Fig. 4 zu erkennen ist weist das Substrat 1 eine Oberfläche 2 auf, auf der die Oberflächenstruktur 3 mittels Verankerungsbereichen 4 befestigt ist. Wie in der Fig. 4 zu erkennen ist, ist die Oberflächenstruktur 3 nur durch die Verankerungsbereiche 4 auf der Oberfläche 2 befestigt und weist ansonsten einen Abstand zur Oberfläche 2 auf. Dabei erstreckt sich die Oberflächenstruktur 3 mit einer großen lateralen Ausdehnung über die Oberfläche 2 hinweg. Wie in der Fig. 2 zu erkennen ist, weist die Oberflächenstruktur 3 zwei Verbindungsbereiche 4 auf, an denen zwei Aufhängbalken 13 befestigt sind. An den Aufhängbalken 13 sind jeweils 2 (d. h. insgesamt 4) Biegefedern 10 befestigt. Diese Biegefedern 10 sind an ihrem anderen Ende mit einem Zentralbalken 12 verbunden. Der Zentralbalken 12 erstreckt sich ebenfalls über einen weiten Bereich der Oberfläche 2 des Substrats 1 und dient als Aufhängung für die beweglichen Elektroden 11. Gegenüber den beweglichen Elektroden 11 sind starre Elektroden 21 angeordnet. Dabei ist gegenüber jeder beweglichen Elektrode 11 eine starre Elektrode 21 vorgesehen. Die starren Elektroden 21 sind entweder jeweils einzeln mit einem eigenen Verankerungsbereich 6 auf der Oberfläche 2 des Substrats 1 befestigt oder aber sie sind an Aufhängbalken 23 befestigt die dann wiederum durch Verankerungsbereiche 5 auf der Oberfläche 2 des Substrats 1 befestigt sind. Die großflächigen Strukturen wie Aufhängbalken 13 und 23 oder Zentralbalken 12 weisen Ätzlöcher 101 die bei der Herstellung der Sensoren einen ungehinderten Zutritt eines Ätzmediums zur Unterseite dieser Strukturen erlauben. Es wird so die Unterätzung dieser Strukturen bei der Herstellung vereinfacht.
Die Oberflächenstruktur 3 weist Aufhängbalken 13, Biegefedern 10, einen Zentralbalken 12 und bewegliche Elektroden 11 auf, die zusammen eine einstückige Oberflächenstruktur 3 bilden. Dabei ist die gesamte Oberflächenstruktur 3 nur durch die Verankerungsbereiche 4 auf der Oberfläche 2 des Substrats befestigt, während die weiteren Elemente einen Abstand zur Oberfläche 2 aufweisen. Diese Elemente können daher frei zum Substrat bewegt werden. Durch die schmale Ausbildung der Biegebalken 10, die in x-Richtung eine längliche Struktur aufweisen und in y-Richtung nur eine geringe Steifigkeit aufweisen wird so eine Oberflächenstruktur 3 geschaffen, die als bewegliche Elektrode eines Beschleunigungssensors oder Kraftsensors geeignet ist. Wenn eine Beschleunigung in positiver oder negativer y-Richtung anliegt, so wirkt eine Kraft auf die Oberflächenstruktur 3, die den Zentralbalken 12 und die daran aufgehängten beweglichen Elektroden 11 entsprechend der Beschleunigung relativ zum Substrat verschiebt. Da sich dann der Abstand zwischen den beweglichen Elektroden 11 und den feststehenden Elektroden 21 ändert, kann die Beschleunigung durch Messung der Kapazität zwischen den feststehenden Elektroden 11 und beweglichen Elektroden 21 nachgewiesen werden. Das mikromechanische Bauelement nach der Fig. 2 kann somit als Beschleunigungssensor eingesetzt werden. Weiterhin ist es auch möglich zwischen den beweglichen Elektroden 11 und den feststehenden Elektroden 21 elektrische Spannungen anzulegen und dadurch die Oberflächenstruktur 3 in Abhängigkeit von den anliegenden Spannungen auszulenken. In diesem Fall würde die Oberflächenstruktur 3 als Aktuator verwendet.
Bei dem in der Fig. 2 gezeigten Oberflächenstruktur 3 ist es so, daß die beiden Verankerungsbereiche 4 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen den beiden Verankerungsbereichen gering ist im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Oberflächenstruktur. Wenn die Oberflächenstruktur 3 der Fig. 2 einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Substrat 1 aufweist oder aber das Material für die Oberflächenstruktur 3 bereits mit inneren Spannungen hergestellt wurde, so können sich bei der Anordnung nach der Fig. 2 diese thermisch bedingten Verspannungen oder inneren Verspannungen ungehindert durch Ausdehnung oder Zusammenziehen der Oberflächenstruktur 3 abgebaut werden. Dabei ist entscheidend, daß der Abstand zwischen den beiden Verankerungsbereichen 4 vergleichsweise gering ist und daß sich die weiteren Bestandteile der einstückigen Oberflächenstruktur 3 beliebig relativ zum Substrat bewegen können. Die Oberflächenstruktur nach der Fig. 1 wird somit im Wesentlichen aller auftretenden Verspannungen durch eine entsprechende Bewegung der Oberflächenstruktur 3 ausgleichen, so daß keiner oder nur sehr geringe innere Kräfte an der Oberflächenstruktur 3 angreifen. Während beispielsweise der Sensor nach der Fig. 1 bei thermisch unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten von Substrat 50 und Oberflächenstruktur Kräfte in den Biegefedern 52 erzeugt, werden derartige Kräfte in den Biegefedern 10 der Oberflächenstruktur 3 der Fig. 2 weitgehend vermieden. Durch die Verwendung von Verankerungsbereichen 4, die nur einen geringen relativen Abstand zueinander aufweisen, werden somit die Eigenschaften des mikromechanischen Bauelements gegenüber der Temperatur oder herstellungsbedingten Verspannungen verringert. In der Fig. 2 sind die Verankerungsbereiche 4 für die einstückige Oberflächenstruktur 3 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet, so daß mechanische Verspannungen innerhalb der einstückigen Oberflächenstruktur 3 nicht auftreten können. Die Verankerungsbereiche 4 weisen jedoch große Abstände zu den Verankerungsbereichen 5 und 6 der starren Elektroden 21 auf. Dadurch können sich die relativen Abstände zwischen den beweglichen Elektroden 11 und den feststehenden Elektroden 21 ändern, beispielsweise wenn sich die Länge des Zentralbalkens 12 infolge einer Temperaturveränderung stärker oder schwächer ändert als die entsprechende Ausdehnung des Substrats 1. In der Fig. 3 wird ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gezeigt, bei dem auch diese Effekte kompensiert werden.
In der Fig. 3 wird wieder ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat 1 und einer darauf angeordneten einstückigen Oberflächenstruktur 3 gezeigt. Die einstückige Oberflächenstruktur weist Verankerungsbereiche 4 auf, mit denen die einstückige Oberflächenstruktur 3 auf der Oberfläche 2 des Substrats 1 befestigt ist. An den beiden Verankerungsbereichen 4 sind Aufhängbalken 13 befestigt, die sich dann zu den äußeren Ecken der Oberflächenstruktur 3 erstrecken. An diesen Endpunkten sind dann Biegefedern 10 befestigt, die an ihrem anderen Ende einen Zentralbalken 12 aufweisen. Der Zentralbalken 12 weist wiederum bewegliche Elektroden 11 auf. Gegenüber den beweglichen Elektroden 11 sind starre Elektroden 21 angeordnet, die wiederum an Aufhängbalken 23 befestigt sind. Die Aufhängbalken 23 sind durch Verbindungsbereiche 5 mit der Oberfläche 2 des Substrats 1 verbunden. Die Fig. 4 zeigt auch einen Querschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 3. Wie in der Aufsicht auf die Fig. 3 zu erkennen ist, sind die Verankerungsbereiche 4 und 5, die die einstückige Oberflächenstruktur 3 (bestehend aus Offenbalken 13, Biegefedern 10, Zentralbalken 12 und bewegliche Elektroden 11) bzw. die starren Elektroden mit den Aufhängbalken 23 mit dem Substrat verbinden alle in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Jeder mögliche Abstand zwischen zwei der Verankerungsbereiche 4, 5 ist gering im Vergleich zur gesamten lateralen Ausdehnung des mikromechanischen Bauelements. Wenn sich beispielsweise das Material des Substrats 1 bei Erwärmung wesentlich stärker ausdehnt als die Materialien für die Aufhängbalken 13, 23, so ändert sich trotzdem der relative Abstand der beweglichen Elektroden 11 relativ zu den feststehenden Elektroden 21 nur unwesentlich, wobei die relative Änderung um so geringer wird, je näher die Verankerungsbereiche 4 relativ zu den Verankerungsbereichen 5 angeordnet sind. In x-Richtung können Verspannungen nur in dem Maße auftreten, indem die beiden Verankerungsbereiche 4 auf der rechten und linken Seite des mikromechanischen Bauelements voneinander entfernt sind. Je geringer der Abstand zwischen den beiden Verankerungsbereichen 4 ist, um so geringer sind die in x-Richtung auftretenden Verspannungen. Entsprechend sind für die relativen Verschiebungen zwischen den starren Elektroden 21 und beweglichen Elektroden 11 die Abstände zwischen den Verankerungsbereichen 4 und 5 in y-Richtung von Bedeutung. Je geringer diese Abstände in y-Richtung sind, um so geringer werden die Verschiebungen zwischen den Elektroden.

Claims (8)

1. Mikromechanisches Bauelement, insbesondere Kraftsensor oder Beschleunigungssensor, mit einem Substrat (1 )und einer einstückigen Oberflächenstruktur (3), wobei das Substrat (1) plattenförmig mit einer Oberfläche (2) ausgebildet ist, wobei die Oberflächenstruktur (3) mit mindestens zwei Verankerungsbereichen (4) auf der Oberfläche (2) befestigt ist und sich ansonsten mit einem Abstand zur Oberfläche (2) und mit einer lateralen Ausdehnung über der Oberfläche (2) hinweg erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Verankerungsbereiche (4) einen Abstand zueinander aufweisen, der gering ist im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Oberflächenstruktur (3).
2. Bauelement nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Verankerungsbereiche (4) vorgesehen sind, und daß alle Abstände zwischen den Verankerungsbereichen (4) gering sind im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Oberflächenstruktur (3).
3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstruktur (3) bewegliche Elektroden (11) aufweist, daß die beweglichen Elektroden (11) an Biegefedern (10) aufgehängt und relativ zum Substrat (1) beweglich sind, und daß starre Elektroden (21) vorgesehen sind, die den beweglichen Elektroden (11) gegenüberliegend angeordnet sind, und daß die starren Elektroden (21), relativ zum Substrat (1), unbeweglich sind.
4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Elektroden (21) mittels weiterer Verbindungsbereiche (5) auf der Oberfläche (2) des Substrats (1) befestigt sind, und daß die weiteren Verbindungsbereiche (5) untereinander und zu den Verbindungsbereichen (4) Abstände aufweisen, die gering sind im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Oberflächenstruktur (3).
5. Bauelement nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern (10) durch Aufhängbalken (13) mit den Verankerungsbereichen (4) verbunden sind.
6. Bauelement nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Elektroden (21) durch Aufhängbalken (23) mit den weiteren Verankerungsbereichen (5) verbunden sind.
7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Oberflächenstruktur (3) Silicium verwendet wird.
8. Bauelement nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die starren Elektroden Silicium verwendet wird.
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