DE19959707A1

DE19959707A1 - Mikromechanische Struktur, insbesondere für einen Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE19959707A1
Application number: DE19959707A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kipp; Siegbert Goetz; Markus Lutz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-06-13
Also published as: EP1240530A1; JP2003516544A; DE50015334D1; US6940632B1; EP1240530B1; WO2001042797A1; JP4750994B2

Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Struktur, insbesondere für einen Beschleunigungssensor, mit: einem Substrat (1), welches eine Verankerungseinrichtung aufweist; und einer Schwungmasse (5), die über eine Biegefedereinrichtung (4a-d) mit der Verankerungseinrichtung verbunden ist, so daß die Schwungmasse (5) elastisch aus ihrer Ruhelage auslenkbar ist. Die Schwungmasse (5) weist eine längliche konvexe Form auf und ist im wesentlichen zur Längsachse (L) rotationssymmetrisch. Die Schwungmasse (5) weist optionellerweise an den beiden Längsenden eine Verbreiterung (5a, 5b) auf, woran die Biegefedereinrichtung (4a-d) angebracht ist.

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur, insbesondere für einen Beschleunigungssensor, mit einem Substrat, welches eine Verankerungseinrichtung auf weist, und einer Schwungmasse, die über eine Biegefederein richtung mit der Verankerungseinrichtung verbunden ist, so daß die Schwungmasse elastisch aus ihrer Ruhelage auslenk bar ist.

Obwohl auf beliebige mikromechanische Strukturen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundelie gende Problematik in bezug auf einen mikromechanischen Be schleunigungssensor erläutert.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine bekannte mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor, wie aus der DE 198 08 549 A1 bekannt. Solch eine Struktur wird beispielsweise äls Sensierelement eines Drehratensen sors verwendet.

In Fig. 2 bezeichnen 5' eine Schwungmasse, welche eine ko nische Längsform mit einer Längsachse L' aufweist. M' ist dabei der Längsmittelpunkt. Die Schwungmasse 5' ist über eine (nicht gezeigte) Verankerungseinrichtung und Biegefe dern 4a' bis d' elastisch über dem Substrat 1 aufgehängt, so dass die Schwungmasse 5' elastisch aus ihrer Ruhelage auslenkbar ist, also ein Linearschwinger ist. 10a'-f' sind zusammen mit der Schwungmasse 5' bewegliche Elektroden, und 100 eine fest im Substrat 1 verankerte Elektrode. Selbst verständlich ist jeder bewegliche Elektrode 10a'-f' eine solche feste Elektrode zugeordnet, doch zur Vereinfachung ist nur die feste Elektrode 100 gezeichnet.

Solche mikromechanischen Beschleunigungssensoren sind also als Feder - Masse - System ausgelegt. Allgemein bestehen die Schwungmasse 5', Federn 4a' bis d' und Elektroden 10a' bis f' aus Epitaxie - Polysilizium, welches durch Entfer nung einer Opferschicht aus SiO₂ zwischen dem Epitaxie - Polysilizium und dem Substrat frei schwebend gemacht worden ist.

Die Detektion der Beschleunigung erfolgt kapazitiv durch einen entsprechenden Kondensator, welcher als Kondensator platten die beweglichen Elektroden 10a' bis f' aufweist, die an der Schwungmasse 5' befestigt sind, sowie die fest stehenden Elektroden 100, die auf dem Substrat 1 verankert sind. Die an der Schwungmasse 5' befestigten Elektroden 10a' bis f' besitzen im übrigen abgestufte Längen mit un terschiedlichen Eigenfrequenzen. Grund hierfür ist, dass die Eigenfrequenzen der Elektroden 10a' bis f' das Übertra gungsverhalten des Beschleunigungssensors nicht stören sol len.

Bekannte Formen der Schwungmasse 5' sind Rechtecke und die in Fig. 2 gezeigte konische Form. Als nachteilig bei dem bekannten Ansatz nach Fig. 2 hat sich die Tatsache heraus gestellt, dass die Robustheit der Schwungmasse 5' gegen über orthogonal zur Längsachse L' wirkenden Störeinflüssen zu gering ist.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee liegt in einer Reduzierung des Stressgradienten, d. h. der Durch biegung der Schwungmasse, durch Vorsehen einer konvexen Form der Schwungmasse. Mit anderen Worten wird die Schwung masse von der Mitte ausgehend zu den Längsenden hin schma ler. An der Verbindung zu den Federn kann optionellerweise eine Verbreiterung vorgesehen sein.

Dadurch ist auch die Querempfindlichkeit, also die Anfäl ligkeit gegen Querbeschleunigung, reduziert. Der Vorteil von beweglichen Elektronen verschiedener Länge kann beibe halten werden, so dass der Gefahr einer Störeinkopplung, bedingt durch die Eigenfrequenzen der Elektronen, wirksam entgegengewirkt ist. Weiterhin bringt die Erfindung eine Steigerung der Prozess-/Fertigungssicherheit beim Trenchprozeß, insbesondere beim Flachtrenchprozeß. Gleich zeitig sind keine Nachteile bzgl. weiterer Parameter vor handen.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil dungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen mikromechanischen Struktur.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind seitlich an der Schwungmasse Elektroden angebracht, welche zusammen damit beweglich sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung vergrößert die Länge der Elektroden sich ausgehend von, der Längsmitte zu den Längsenden hin.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Län ge der Elektroden derart abgestuft, daß der Abstand der von der Schwungmasse abgewandten Enden der Elektroden von der Längsachse konstant ist. Dadurch stören die Eigenfrequenzen der Elektroden das Übertragungsverhalten des Beschleuni gungssensors nicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung verschmälert sich die Schwungmasse ausgehend von der Längsmitte zu den Längsenden hin gleichmäßig.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Verbreiterungen an den Längsenden stufenförmig ausgebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die er findungsgemäße mikromechanische Struktur durch Silizium- Oberflächenmikromechanik oder eine andere Mikromechanik- Technologie herstellbar.

ZEICHNUNGEN

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnun gen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur als Teil eines Beschleunigungssensors; und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine bekannte mikromechanische Struktur für einen Beschleuni gungssensor.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.

Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur als Teil eines Beschleunigungssensors.

In Fig. 1 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 5 eine Schwungmasse, welche eine konvexe Längsform mit einer Längsachse L aufweist. M ist dabei der Längsmittelpunkt. Die Schwungmasse 5 ist über eine (nicht gezeigte) Verarikerungseinrichtung und Biegefedern 4a bis d elastisch über dem Substrat 1 aufgehängt, so dass die Schwungmasse 5 um eine senkrecht zur Substratoberfläche liegende Drehachse und um mindestens eine parallel zur Sub stratoberfläche liegende Drehachse elastisch aus ihrer Ru helage auslenkbar ist. 10a-f sind zusammen mit der Schwung masse 5 bewegliche Elektroden, und 100 eine fest im Sub strat 1 verankerte Elektrode. Selbstverständlich ist jeder bewegliche Elektrode 10a-f eine solche feste Elektrode zu geordnet, doch zur Vereinfachung ist nur die feste Elektro de 100 gezeichnet.

Die Schwungmasse 5 des Beschleunigungssensors wurde konvex ausgelegt. Damit wird der Beschleunigungssensor hinsicht lich Stressgradient und Querempfindlichkeit optimiert. Gleichzeitig werden die abgestuften beweglichen Elektroden ärmchen beibehalten, um das Übertragungsverhalten des Feder - Masse - Systems nicht zu beeinträchtigen. Die betrachte ten Größen sind nämlich ausschlaggebend für eine Kapazi tätsänderung bei der Detektion, die nicht von einer zu mes senden Drehrate herrührt, sondern von einer pathologischen, geometrisch bedingten Kapazitätsänderung durch Fehlstellung der Elektroden.

Zweckmäßig dabei ist die Verwendung einer Verstärkung 5a, 5b an den Längsenden zur Anbindung an die Federn 4a bis d, damit die konvexe Geometrie voll zur Wirkung kommt. Diese Verstärkung 5a, 5b kann wie im vorliegenden Ausführungsbei spiel durch eine stufenförmige Verbreiterung realisiert sein. Selbstverständlich ist auch eine kontinuierliche Ver breiterung an den Enden möglich.

Die neue Geometrie der Schwungmasse 5 erlaubt außerdem, oh ne zusätzliche Beanspruchung von Chipfläche die Verwendung eines dickeren Federbalkens der Federn 4a-d bei gleichzei tiger Verlängerung des Federbalkens, ohne die Resonanzfre quenz zu verändern.

Die Balkenbreite ist der Prozessparameter mit dem größten Einfluss auf die Funktionalität des Beschleunigungssensors. Hier wird das Prozessfenster bei einer Verbreiterung er höht. Das bedeutet zusätzlich eine Steigerung der Prozess-/ Fertigungssicherheit beim Trenchprozeß, insbesondere beim Flachtrenchprozeß.

Der mikromechanische Beschleunigungssensor nach dieser Aus führungsform wird vorzugsweise durch Silizium-Oberflächen mikromechanik hergestellt.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevor zugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie dar auf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifi zierbar.

Insbesondere ist die Geometrie der Schwungmasse sowie der Biegefederanordnung und der Elektroden nicht auf die ge zeigten Beispiele beschränkt. Allerdings sollten größere Abweichungen von der symmetrischen Form dann vermieden wer den, wenn die Gefahr besteht, daß lineare Anteile der ex ternen Beschleunigung das Meßergebnis verfälschen.

Dieses Herstellungsverfahrens ist ebenfalls nur als Bei spiel zu verstehen, und andere Verfahren, wie z. B. galvani sche Verfahren, können ebenfalls zu Herstellung des Be schleunigungssensors verwendet werden.

Claims

1. Mikromechanische Struktur, insbesondere für einen Be schleunigungssensor, mit:
einem Substrat (1), welches eine Verankerungseinrichtung aufweist; und
einer Schwungmasse (5), die über eine Biegefedereinrichtung (4a-d) mit der Verankerungseinrichtung verbunden ist, so daß die Schwungmasse (5) elastisch aus ihrer Ruhelage aus lenkbar ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwungmasse (5) eine längliche konvexe Form aufweist und im wesentlichen zur Längsachse (L) rotationssymmetrisch ist; und
die Schwungmasse (5) optionellerweise an den beiden Längs enden eine Verbreiterung (5a, 5b) aufweist, woran die Bie gefedereinrichtung (4a-d) angebracht ist.

2. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß seitlich an der Schwungmasse (5) Elektro den (10a-f) angebracht sind, welche zusammen damit beweg lich sind.

3. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Länge der Elektroden (10a-f) sich ausgehend von der Längsmitte (M) zu den Längsenden hin ver größert.

4. Mikromechanische Struktur nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Länge der Elektroden (10a-f) derart abgestuft ist, daß der Abstand der von der Schwungmasse (5) abgewandten Enden der Elektroden (10a-f) von der Längsachse (L) konstant ist.

5. Mikromechanische Struktur nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schwungmasse (5) ausgehend von der Längsmitte (M) zu den Längsenden hin gleichmäßig verschmälert.

6. Mikromechanische Struktur nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreite rungen (5a, 5b) an den Längsenden stufenförmig ausgebildet ist.

7. Mikromechanische Struktur nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Silizi um-Oberflächenmikromechanik oder eine aridere Mikromechanik- Technologie herstellbar ist.