TW202044006A - 用於電容式感測器或開關機構的微機械構件 - Google Patents

用於電容式感測器或開關機構的微機械構件 Download PDF

Info

Publication number
TW202044006A
TW202044006A TW109111989A TW109111989A TW202044006A TW 202044006 A TW202044006 A TW 202044006A TW 109111989 A TW109111989 A TW 109111989A TW 109111989 A TW109111989 A TW 109111989A TW 202044006 A TW202044006 A TW 202044006A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
electrode
diaphragm
self
substrate
lever element
Prior art date
Application number
TW109111989A
Other languages
English (en)
Inventor
猶根 蘭穆斯
Original Assignee
德商羅伯特 博世有限公司
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 德商羅伯特 博世有限公司 filed Critical 德商羅伯特 博世有限公司
Publication of TW202044006A publication Critical patent/TW202044006A/zh

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/0059—Constitution or structural means for controlling the movement not provided for in groups B81B3/0037 - B81B3/0056
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/004—Angular deflection
    • B81B3/0048—Constitution or structural means for controlling angular deflection not provided for in groups B81B3/0043 - B81B3/0045
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0145—Flexible holders
    • B81B2203/0154—Torsion bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0145—Flexible holders
    • B81B2203/0163—Spring holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0181—See-saws

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

本發明係關於一種用於電容式感測器或開關機構的微機械組件，其具有：一基板（10），其具有一基板表面（10a）；一隔膜（12），其直接或間接地在該基板表面（10a）上方拉伸，具有一自支撐區域（14）；及至少一個槓桿元件（18）及附接至該至少一個槓桿元件（18）之至少一個第一電極（20），其中該至少一個槓桿元件（18）以一方式附接至該隔膜（12），使得當該隔膜（12）之該自支撐區域（14）變形時，該至少一個槓桿元件（18）可在一旋轉運動中位移，由此該至少一個所附接第一電極（20）可在與該基板表面（10a）成一定角度定向之一第一位移運動（22）中位移，且其中該至少一個槓桿元件（18）及附接至該至少一個槓桿元件（18）之該至少一個第一電極（20）配置於該基板表面（10a）與該隔膜（12）之該自支撐區域（14）之該內隔膜側（14a）之間。

Description

用於電容式感測器或開關機構的微機械構件
本發明係關於一種用於電容式感測器或開關機構的微機械構件以及一種電容式感測器或開關機構。本發明亦係關於一種用於電容式感測器或開關機構的微機械構件的製造方法以及一種用於電容式感測器或開關機構的製造的方法。
在US 2014/0060169 A1中描述一種電容式壓力感測器，該電容式壓力感測器包含橫跨基板之基板表面直接或間接地拉伸的隔膜。在基板上形成有貫穿開口，該貫穿開口自基板的經定向遠離基板表面之後側延伸穿過膜的經定向朝向基板之內隔膜側。隔膜應可藉助於作用於基板後側處之物理壓力而變形，該物理壓力不等於存在於隔膜之經定向遠離基板之外隔膜側處之參考壓力。電容式壓力感測器亦包含具有固定至基板表面之電極及相對電極的搖桿結構。隔膜之變形應以一方式引發電極距相對電極之距離的改變，使得可基於電極與相對電極之間存在的電壓的改變而判定隔膜之外隔膜側上之物理壓力（不同於參考壓力）。
本發明提供一種具有請求項1之特徵的用於電容式感測器或開關機構的微機械構件，一種具有請求項8之特徵的電容式感測器或開關機構，一種具有請求項10之特徵的用於電容式感測器或開關機構的微機械構件的製造方法，以及一種具有請求項12之特徵的用於製造電容式感測器或開關機構的方法。 本發明之優點
本發明創造用於電容式感測器或開關機構的微機械構件，或裝配有該微機械構件的電容式感測器或開關機構，其中與現有技術相比，可省略貫穿開口之形成，該貫穿開口至少穿過各別基板且隔膜橫跨其基板表面拉伸。另外，對於根據本發明之微機械組件，可將該各別隔膜之自支撐區域的經定向遠離該基板之外隔膜側用作「敏感隔膜表面」，以使得隔膜之「敏感隔膜表面」可容易地用凝膠保護。相比而言，如現有技術所要求，用凝膠填充穿透凹部在技術上極其困難且費力。因此，本發明實現經濟地製造微機械構件或裝配有微機械構件的電容式感測器或開關機構，且增加使用壽命。
在微機械構件之具體實例的有利形式中，至少一個第二電極經設計為包含至少一個槓桿元件及至少一個所附接第一電極之搖桿結構的一部分，或以一方式獨立於該搖桿結構附接至隔膜之自支撐區域之內隔膜側，使得在存在隔膜之自支撐區域之變形的情況下，該至少一個第一電極可以垂直於基板表面定向之第一運動分量在第一位移運動中位移，且至少一個第二電極可以垂直於基板表面定向且與該第一運動分量相反定向之第二運動分量在第二位移運動中位移。此處所描述之微機械構件之具體實例的形式的至少一個第一電極及至少一個第二電極的方向相反的運動分量簡化用於判定施加在隔膜之自支撐區域之外隔膜側上之力或與該力相對應的物理量值或環境條件之評估。
舉例而言，至少一個槓桿元件可在每一狀況下經由至少一個第一扭轉彈簧附接至隔膜之自支撐區域之內隔膜側，在每一狀況下經由至少一個第二扭轉彈簧附接至基板或沈積於基板表面上之至少一個層，且在每一狀況下經由至少一個第三扭轉彈簧附接至經指派至其之第一電極。因此可容易地形成至少一個槓桿元件。
特定而言，在每一狀況下，至少兩個槓桿元件可以一方式指派至每一第一電極，使得經指派至其的至少兩個槓桿元件經由其第三扭轉彈簧接合至各別第一電極，其中經指派至同一第一電極的至少兩個槓桿元件之所有第一扭轉彈簧彼此平行地定向且相互偏移，經指派至同一第一電極的至少兩個槓桿元件之所有第二扭轉彈簧彼此平行地定向且相互偏移，且經指派至同一第一電極的至少兩個槓桿元件之所有第三扭轉彈簧彼此平行地定向且相互偏移。在此狀況下，隔膜之自支撐區域的變形引發（幾乎）垂直於基板表面定向之至少一個第一電極之第一位移運動。
較佳地，至少該至少一個槓桿元件及該至少一個第一電極由第一半導體及/或金屬層形成，該第一半導體及/或金屬層經配置於基板表面之經定向遠離該基板的一側上，而至少該隔膜之自支撐區域由第二半導體及/或金屬層形成，該第二半導體及/或金屬層經配置於第一半導體及/或金屬層之經定向遠離該基板的一側上。在此狀況下，可藉助於可相對容易地實施的製造方法來製造微機械構件。
較佳地，至少一個第一相對電極亦直接或間接地配置於與至少一個第一電極毗鄰之基板表面上，及/或至少一個第二相對電極直接或間接地配置於與至少一個第二電極毗鄰之基板表面上，其中至少一個第一相對電極及/或至少一個第二相對電極由配置於基板表面與第一半導體及/或金屬層之間的電極材料層形成。因此，可容易地實施至少一個第一相對電極及/或至少一個第二相對電極的有利配置。
在微機械構件之具體實例的又一有利形式中，至少一個槓桿元件及附接至該至少一個槓桿元件之至少一個第一電極由框架結構封圍，隔膜橫跨該框架結構拉伸，其中以一方式將由框架結構及隔膜封圍之內部容積（其中存在參考壓力）以氣密方式密封，使得至少該隔膜之自支撐區域可藉助於自支撐區域之外隔膜側上不等於參考壓力之物理壓力而變形。因此，此處所描述之微機械構件之具體實例的形式可有利地用於電容式壓力感測器。
具有此類型之微機械構件的電容式感測器或開關機構亦提供上文所描述優點。舉例而言，經設計為電容式壓力感測器裝置的電容式感測器或開關機構的微機械構件具有前述章節中所描述之特徵，且包含電子評估單元，該電子評估單元經設計以在至少考慮到當前所判定的關於在該至少一個第一電極與該至少一個第一相對電極之間存在的電壓的所量測量的情況下，確立並輸出與當時存在於該隔膜之自支撐區域之外隔膜側處之物理壓力有關的量測值。
藉由實施用於電容式感測器或開關機構的微機械構件的對應製造方法，亦可實現上文所描述優點。藉由實施用於製造電容式感測器或開關機構的對應方法亦可提供長度優點。應明確指出，此處根據微機械構件及電容式感測器或開關機構的具體實例的上文所描述之形式所列出的方法可進一步發展。
圖1示出微機械構件之具體實例之第一形式的示意圖。
圖1中示意性說明的微機械構件包含具有基板表面10a之基板10，該基板表面10a例如可為半導體基板，特定而言矽基板。然而，應明確指出，代替矽或除矽之外，基板10亦可包含至少一個其他半導體材料、至少一種金屬及/或至少一種電絕緣材料。
微機械構件之在基板表面10a上方直接或間接地拉伸的隔膜12包含自支撐區域14，該自支撐區域14具有經定向朝向基板10之內隔膜側14a及經定向背離基板10之外隔膜側14b。如在圖1中可見，隔膜12之自支撐區域14可藉助於施加於外隔膜側14b上之力（未說明）而變形。為了比較，藉助於虛線16示出當在隔膜側14a及14b處之力平衡時的自支撐區域14的初始形式。
該微機械構件亦包含至少一個槓桿元件18及附接至至少一個槓桿元件18之至少一個第一電極20。至少一個槓桿元件18分別以一方式附接至隔膜12，使得當隔膜12之自支撐區域14變形時，至少一個槓桿元件18可在旋轉運動中位移。藉助於至少一個槓桿元件18之旋轉運動，至少一個所附接第一電極20可在與基板表面10a成一定角度定向之第一位移運動22中位移。隔膜12之自支撐區域14的變形可特定而言轉換為至少一個第一電極20的（幾乎）垂直於基板表面10a定向之第一位移運動22。因此，至少一個第一電極20d之第一位移運動22不必理解為「傾斜運動」。較佳地，當自支撐區域14之外隔膜側14b朝向基板10變形（參見圖1）時，至少一個第一電極20在經定向背離基板10之第一位移運動22中位移，而當自支撐區域14之外隔膜側14b經歷經定向遠離基板10的變形時，至少一個第一電極20在經定向朝向基板10之第一位移運動（未說明）中位移。
另外，至少一個槓桿元件18及附接至至少一個槓桿元件18之至少一個第一電極20經配置於基板表面10a與隔膜12之自支撐區域14之內隔膜側14a之間。隔膜12之自支撐區域14之外隔膜側14b因此可毫無困難地用作偵測/量測的「敏感隔膜表面」。根據現有技術，在使用自支撐區域14之內隔膜側14a時形成至少穿過基板10之貫穿開口以形成量測通道為必要的，因為「敏感隔膜表面」因此並非必要的。另外，較之自支撐區域14之內隔膜側40a，自支撐區域14之外隔膜側14b更容易藉助於凝膠來保護。特定而言，如在圖1中可見，自支撐區域14之外隔膜側14b封閉微機械構件之經定向遠離基板10之表面，此進一步簡化將凝膠施加至外隔膜側14b。藉助於簡化凝膠之施加而改良對微機械構件之「敏感隔膜表面」的保護促進有利地增加其使用壽命。
微機械構件的又一優點在於：（至少）至少一個槓桿元件18及至少一個第一電極20可由配置於基板表面10a之經定向遠離基板10之一側上的第一半導體及/或金屬層24形成。另外，至少隔膜12之自支撐區域14可由配置於第一半導體及/或金屬層24之經定向遠離基板10之一側上的第二半導體及/或金屬層26形成。特定而言，整個隔膜12可由第二半導體及/或金屬層26形成。因此，可相對簡單且相對經濟地製造微機械構件。
較佳地，至少一個第一相對電極28毗鄰於至少一個第一電極20直接或間接地配置於基板表面10a上。舉例而言，至少一個第一相對電極28可形成於覆蓋基板表面10a之至少一個層29a及29b（諸如例如至少一個絕緣層29a及29b）上。至少一個第一相對電極28可由配置於基板表面10a與第一半導體及/或金屬層24之間的電極材料層30形成。此使得更容易為微機械構件配備（至少）相互作用之電極20及28。
在此處所描述具體實例之形式中，至少一個槓桿元件18及至少一個第一電極20為搖桿結構32的部分，該搖桿結構32附接於自支撐區域14之內隔膜側14a處。在存在隔膜12之自支撐區域14變形的情況下，搖桿結構32可在搖動運動/傾斜運動中位移，在該搖動運動/傾斜運動中，至少一個槓桿元件18實施其旋轉運動。較佳地，整個搖桿結構32由第一半導體及/或金屬層24形成。然而，應注意，亦可省略至少一個槓桿元件18及至少一個第一電極20作為搖桿結構32的部分的形成。
作為一有利發展，微機械構件亦可包含至少一個第二電極34，該第二電極形成為搖桿結構32的一部分，或獨立於搖桿結構32附接至隔膜12之自支撐區域14之內隔膜側14a。假設微機械構件由至少一個第二電極34形成，則至少一個第二相對電極36亦可直接或間接地配置於基板表面10a上，毗鄰於至少一個第二電極34。至少一個第二相對電極36亦較佳地由電極材料層30形成。此使得為微機械構件配備相互作用的電極對20、28、34及36更容易。
僅作為實例，圖1之具體實例之形式的至少一個第二電極34藉助於形成在自支撐區域14之內隔膜側14a處的加強結構38自隔膜12懸置。在隔膜12之自支撐區域14變形的情況下，至少一個第一電極20以/可以垂直於基板表面10a定向之第一運動分量在第一位移運動22中位移，而至少一個第二電極34以/可以垂直於基板表面10a定向且與第一運動分量相反定向的第二運動分量在第二位移運動40中位移。在此狀況下，可提及至少一個第一電極20及至少一個第二電極34相對於其相對電極28及36的「全差動配置」。下文將進一步考慮「全差動配置」的優點。至少一個第一電極20之第一位移運動22及至少一個第二電極34之第二位移運動40可特定而言垂直於基板之基板表面10a定向且彼此相反地定向。
此處所描述之微機械構件可有利地用作電容式感測器或開關機構的一部分。舉例而言，裝配有在此處所描述之微機械構件的電容式感測器可包含至少一個電子評估單元（未說明），該電子評估單元經設計以在至少考慮到當前所判定的關於在至少一個第一電極20與至少一個第一相對電極28之間存在的第一電壓的所量測量（且可能當前進一步所判定的關於在至少一個第二電極34與至少一個第一相對電極36之間存在的第二電壓的所量測量）的情況下，確立一量測值，該量測值反映作用於自支撐區域14之外隔膜側14b上之力，或與該力相對應的物理量級或環境條件。然而，微機械構件亦可形成為麥克風或開關機構。所量測量可各自例如提及電荷、電流或電荷。
在圖1之具體實例之形式中，搖桿結構32由框架結構42封圍，隔膜12在該框架結構42上方拉伸。以一方式將由框架結構42及隔膜12封圍之內部容積44（其中存在參考壓力p0 ）以氣密方式密封，使得至少隔膜12之自支撐區域14可藉助於自支撐區域14之外隔膜側14b上不等於參考壓力p0 之物理壓力而變形。在此狀況下，該電子評估單元經設計以在至少考慮到當前所判定的關於在至少一個第一電極20與至少一個第一相對電極28之間存在的第一電壓的所量測量（且可能當前進一步所判定的關於在至少一個第二電極34與至少一個第一相對電極36之間存在的第二電壓的所量測量）的情況下，確立並輸出一量測值，該量測值反映當時存在於隔膜12之自支撐區域14之外隔膜側14b處之物理壓力p。
圖2a及圖2b示出微機械構件之具體實例之第二形式的示意圖。
如在圖2a中可見，至少一個槓桿元件18可在每一狀況下經由至少一個第一扭轉彈簧50附接至隔膜12之自支承區域14之內隔膜側14a。至少一個槓桿元件18亦可在每一狀況下藉由至少一個第二扭轉彈簧52錨定至基板10或至少錨定至沈積在基板表面10a上之層29a及29b。藉助於至少一個槓桿元件18至自支撐區域14之內隔膜側14a以及（直接或間接地）至基板10的此附接，可能配置，隔膜之自支撐區域14之變形引起至少一個元件18較佳地繞平行於基板之基板表面10a及/或垂直地通過各別桿元件18定向的旋轉軸線之所要旋轉運動。此外，至少一個槓桿元件18可在每一狀況下經由至少一個第三扭轉彈簧54附接至指派至其的第一電極20。因此，至少一個槓桿元件18之旋轉運動經轉換成至少一個所附接第一電極20之所要第一位移運動22。
在每一狀況下，至少兩個槓桿元件18較佳地以一方式指派至每一第一電極20，使得指派至其之至少兩個槓桿元件18經由其第三扭轉彈簧54接合至各別第一電極20。在此狀況下，有利的是，若經指派至同一第一電極20之至少兩個槓桿元件18之所有第一扭轉彈簧50彼此平行定向且相互偏移，則經指派至同一第一電極20之至少兩個槓桿元件18之所有第二扭轉彈簧52彼此平行定向且相互偏移，且經指派至相同第一電極20之至少兩個槓桿元件18之所有第三扭轉彈簧54彼此平行定向且相互偏移。隔膜12之自支撐區域14的變形在此狀況下造成至少一個第一電極20的（幾乎）垂直於基板表面定向之第一位移運動。至少一個第一電極20之第一位移運動因此導致在至少一個第一電極20與至少一個所指派第一相對電極28之間存在的第一電容的明顯第一電容改變。
參考先前關於圖2a及圖2b之微機械構件的其他特徵所解釋的具體實例之形式。
圖3a及圖3b示出微機械構件之具體實例之第三形式的示意圖。
圖3a及圖3b中示意性示出微機械組件與先前所描述之具體實例之形式不同之處在於：在自支撐區域14之內隔膜側14a與自支撐區域14之外隔膜側14b上存在力平衡的情況下，若隔膜12之自支撐區域14處於其藉助於虛線16表示之初始形式，則至少一個第一電極20處於距至少一個所指派第一相對電極28第一距離d1(p = p0 )處，該第一距離不等於至少一個第二電極34距至少一個所指派第二相對電極36之第二距離d2(p = p0 )。特定而言，當在內隔膜側14a及外隔膜側14b上存在力平衡時，至少一個第二電極34與至少一個所指派第二相對電極36之間的第二距離d2(p = p0 )可大於至少一個第一電極20與至少一個所指派第一相對電極28之間的第一距離d1(p = p0 )（參見圖3a）。
當在內隔膜側14a及外隔膜側14b處存在力平衡時存在的第二距離d2(p = p0 )與第一距離d1(p = p0 )之間差異可經判定，此係因為，在物理壓力p等於被稱為微機械組件之工作壓力pwork 的情況下，以一方式使電極20及34相對於其相對電極28及36位移，使得至少一個第一電極20與至少一個所指派第一相對電極28之間的第一距離d1(p = pwork )（幾乎）等於至少一個第二電極34與至少一個所指派第二相對電極36之間的第二距離d2(p = pwork )（參見圖3b）。工作壓力pwork 可指在外隔膜側14b上之微機械組件操作期間正常存在（或隨時間平均）之（平均）壓力。
如前段中所描述，第二距離d2(p = p0 )與第一距離d1(p = p0 )之間的差的判定具有結果：在外隔膜側14b上之物理壓力p（略微）不同於工作壓力pwork 且至少一個第一電極20與至少一個所指派第一相對電極28之間存在第一電容之第一電容改變，以及至少一個第二電極34與致使一個所指派第二相對電極36之間存在第二電容的第二電容改變的情況下，在每一狀況下，（幾乎）線性信號取決於物理壓力p與工作壓力pwork 的偏差。此外，在此狀況下，基板10之變形經常引起第一電容之第一電容改變，該第一電容改變之量值（幾乎）等於第二電容之第二電容改變之量值，其中電容改變具有相反算術符號。因此，藉助於形成差，可容易地「濾除」由基板10之變形引起的第一電容與第二電容的電容改變。
我們參考先前關於圖3a及圖3b之微機械構件的其他特徵所解釋的具體實例之形式。
圖4a及圖4b示出微機械構件之具體實例之第四形式的示意圖。
如參考由圖4a及圖4b示意性地再現之微機械構件可見，至少一個第一電極20、至少一個第二電極34、至少一個第一相對電極28及至少一個第二相對電極36亦可分佈在複數個在空間上彼此分離的部分電極區域上方。隔膜12或其自支撐區域14此外可形成為「伸長隔膜」。第一電極20及第二電極34可以一方式沿著隔膜12之縱向方向56彼此交替，使得在每一狀況下第二電極34配置在兩個相鄰第一電極20之間，且在每一狀況下第一電極20配置在兩個相鄰第二電極34之間（參見圖4b）。類似地，第一相對電極28及第二相對電極36亦可以一方式沿著隔膜12之縱向方向56彼此交替，使得在每一狀況下第二相對電極36配置在兩個相鄰的第一相對電極28之間且在每一狀況下第一相對電極28配置在兩個相鄰的第二相對電極36之間。參考隔膜12之縱向方向56所在之對稱平面，微機械構件的完全對稱特定而言為可能的。以此方式可確保，基板10之變形頻繁地引起第一電容之第一電容改變，該第一電容改變之量值（幾乎）等於亦已引起的第二電容之第二電容改變之量值，其中電容改變具有相反算術符號。
參考上文關於圖4a及圖4b之微機械構件的其他特徵所解釋的具體實例之形式。
在上文所描述之所有微機械構件中，存在至少一個第一電極20及至少一個第二電極34相對於其相對電極28及36的「全差動佈置」。因此，可藉助於在第一電容與第二電容之間形成差發生反映作用於自支撐區域14之外隔膜側14b上之力或與該力相對應之物理量值或環境條件的所量測值的判定。較之僅自第一電容之第一電容改變或僅自第二電容之第二電容改變獲得之比較信號，自這此差形成獲得之信號大2倍。電極20及34之「全差動配置」因此可用於微機械構件之小型化，同時保持其敏感性及/或其量測準確度。相應地，亦可利用「全差動配置」來增加微機械構件之敏感性及/或量測準確度，同時保持其實體大小。因此，可使用需要很少安裝空間的簡單且經濟的電子評估單元來解釋此處所描述之微機械組件。
「全差動配置」及第一電容與第二電容之間的差的形成的又一優點在於自動「濾除」溫度偏移。另外，如上文已描述，「全差動配置」及差形成促進「濾除」量測誤差，該量測誤差可追溯至基板10之變形。
圖5示出用於闡釋製造方法之具體實例之第一形式的流程圖。
可藉助於在此所描述之製造方法來製造用於電容式感測器或開關機構的微機械構件。在製造方法之方法步驟S1中，隔膜在基板之基板表面上方直接或間接地拉伸，其中包含經定向朝向基板之內隔膜側及經定向遠離基板之外隔膜側之自支撐區域以一方式形成，使得隔膜之自支撐區域可藉由施加於外隔膜側上之力而變形。
在方法步驟S2中，形成至少一個槓桿元件及附接至該至少一個槓桿元件之至少一個第一電極，其中該至少一個槓桿元件以一方式附接至隔膜，使得在隔膜之自支撐區域變形時，至少一個槓桿元件在旋轉運動中位移，由此至少一個所附接第一電極在與基板表面成一定角度定向之第一位移運動中位移。另外，至少一個槓桿元件及至少一個所附接第一電極配置在基板表面與隔膜之自支撐區域之內隔膜側之間。
方法步驟S1及S2可以任何所要順序或在時間上重疊實施。較佳地，至少至少一個槓桿元件及至少一個第一電極由配置於基板表面之經定向遠離基板之一側上的第一半導體及/或金屬層形成。另外，至少隔膜之自支撐區域可由配置於第一半導體及/或金屬層之經定向遠離基板之一側上的第二半導體及/或金屬層形成。
圖6為用於闡釋製造方法之具體實例之第二形式的流程圖。
下文進一步描述之製造方法為上文所闡釋方法的發展：
在此處所描述之製造方法之具體實例之形式中，首先在（可選）方法步驟S3中在基板之基板表面上沈積至少一個層，例如至少一個絕緣層。視情況，至少一個層/絕緣層亦可經結構化例如以在基板處提供用於稍後欲形成之微機械構件之至少一個電極構件之觸點。
在（可選）方法步驟S4中，將電極材料層沈積在基板表面上或配置在基板表面上之至少一個層上。舉例而言，可沈積經摻雜多晶矽作為電極材料層。在又一（可選）方法步驟S5中，然後由電極材料層形成至少一個相對電極。視情況，除了至少一個相對電極之外，亦可由電極材料層形成至少一個導電軌道。
隨後可沈積蝕刻停止層，較佳地為電絕緣的蝕刻停止層，作為（可選）方法步驟S6。舉例而言，可形成（富矽）氮化物層作為蝕刻停止層。
然後在隨後（可選）方法步驟S7中沈積犧牲層，較佳地為氧化物層。可視情況藉助於犧牲層之結構化界定附接至至少一個槓桿元件（其稍後在方法步驟S2中形成）之至少一個槓桿元件及至少一個第一電極的形狀。視情況，在方法步驟S7中亦可沈積及結構化兩個犧牲層，藉此亦可設定藉助於由此處所描述之製造方法形成之電極結構之間的上文所描述不同距離d1(p = p0 )及d2(p = p0 )。
然後在方法步驟S8中沈積第一半導體及/或金屬層。較佳地，沈積多晶矽層作為第一半導體及/或金屬層。
第一半導體及/或金屬層較佳地形成為具有至少500 nm（奈米）之第一層厚度。然後實施上文已描述之方法步驟S2，由此至少第一槓桿元件及至少一個第一電極由第一半導體及/或金屬層形成。較佳地實施導致垂直蝕刻溝槽之蝕刻方法，諸如例如溝槽方法，用於結構化第一半導體及/或金屬層。當蝕刻第一半導體及/或金屬層時，較佳地蝕刻極其窄的溝槽，其中蝕刻寬度小於第一半導體及/或金屬層之第一層厚度。這簡化在經結構化之第一半導體及/或金屬層上之其他層沈積。
在又一（可選）方法步驟S9中，沈積絕緣層，較佳地氧化物層。為了填充在方法步驟S2中形成之狹窄蝕刻溝槽，可選擇絕緣層之絕緣層厚度大於第一半導體及/或金屬層之第一層厚度的一半，其中可能空腔經封圍。藉助於絕緣層之結構化，可界定隨後在方法步驟S1中形成之隔膜及/或「懸置」在隔膜之內隔膜側處之至少一個組件的形狀。亦可在絕緣層中形成狹窄「狹槽」，可藉由該等狹槽藉助於各向同性蝕刻來將在第一半導體及/或金屬層下方之犧牲層的部分蝕除。以此方式可在犧牲層中形成至少一個空腔，此在稍後實施犧牲層蝕刻期間實現蝕刻介質的目標擴散。隨後可用又一氧化物沈積物封閉「狹槽」。
現在作為方法步驟S10沈積第二半導體及/或金屬層。較佳地，多晶矽層可形成為第二半導體及/或金屬層。第二半導體及/或金屬層之第二層厚度較佳為第一半導體及/或金屬層之第一層厚度的約55%至75%。然後實施上文已闡釋之方法步驟S1。視情況，亦穿過第二半導體及/或金屬層形成至少一個用於隨後實施犧牲層蝕刻的蝕刻通道。
然後，作為（可選）方法步驟S11實施上文已闡釋之犧牲層蝕刻，其中較佳地藉助於犧牲層蝕刻將犧牲層完全移除。以此方式釋放在方法步驟S2中由第一半導體及/或金屬層形成之構件。作為犧牲層蝕刻，例如可實施使用氟化氫（HF）之氣相蝕刻法。
然後可在（可選）方法步驟S12中封閉用於實施犧牲層蝕刻的至少一個蝕刻通道。以此方式可在微機械構件中將所界定參考壓力設定為內部壓力。至少一個蝕刻通道之封閉可藉助於低壓化學氣相沈積（LPCVD）或藉助於電漿增強化學氣相沈積（PECVD）發生。舉例而言，氧化物層及/或（富矽）氮化物層可沈積此處。
應指出，製造方法之上文所描述之方法步驟S1至S12不應解釋為窮舉性。
上文所闡釋之製造方法亦可為用於製造電容式感測器或開關機構的方法的一部分。
下文參考諸圖闡釋本發明之其他特徵及優點。此處： [圖1]示出微機械構件之具體實例之第一形式的示意圖； [圖2a及圖2b]示出微機械構件之具體實例之第二形式的示意圖； [圖3a及圖3b]示出微機械構件之具體實例之第三形式的示意圖； [圖4a及圖4b]示出微機械構件之具體實例之第四形式的示意圖； [圖5]為用於闡釋製造方法之具體實例之第一形式的流程圖；及 [圖6]為用於闡釋製造方法之具體實例之第二形式的流程圖。

Claims (12)

  1. 一種用於電容式感測器或開關機構的微機械組件，其具有： 一基板（10），其具有一基板表面（10a）； 一隔膜（12），其直接或間接地在該基板表面（10a）上方拉伸，具有一自支撐區域（14），該自支撐區域（14）包含經定向朝向該基板（10）之一內隔膜側（14a）及經定向遠離該基板（10）之一外隔膜側（14b），其中該隔膜（12）之該自支撐區域（14）可由施加於該外隔膜側（14b）上之力而變形；及 至少一個槓桿元件（18）及附接至該至少一個槓桿元件（18）之至少一個第一電極（20），其中該至少一個槓桿元件（18）以一方式附接至該隔膜（12），使得當該隔膜（12）之該自支撐區域（14）變形時，該至少一個槓桿元件（18）可在一旋轉運動中位移，由此該至少一個所附接第一電極（20）可在與該基板表面（10a）成一定角度定向之一第一位移運動（22）中位移； 其特徵在於 該至少一個槓桿元件（18）及附接至該至少一個槓桿元件（18）之該至少一個第一電極（20）配置於該基板表面（10a）與該隔膜（12）之該自支撐區域（14）之該內隔膜側（14a）之間。
  2. 如請求項1之微機械構件，其中至少一個第二電極（34）經設計為包含該至少一個槓桿元件（18）及該至少一個所附接第一電極（20）之一搖桿結構（32）的一部分，或以一方式獨立於該搖桿結構（32）附接至該隔膜（12）之該自支撐區域（14）之該內隔膜側（14a），使得在存在該隔膜（12）之該自支撐區域（14）之一變形的情況下，該至少一個第一電極（20）可以垂直於該基板表面（10a）定向之一第一運動分量在一第一位移運動（22）中位移，且該至少一個第二電極（34）可以垂直於該基板表面（10a）定向且與該第一運動分量相反定向之一第二運動分量（40）在一第二位移運動中位移。
  3. 如請求項1或2之微機械構件，其中該至少一個槓桿元件（18）在每一狀況下經由至少一個第一扭轉彈簧（50）附接至該隔膜（12）之該自支撐區域（14）之該內隔膜側（14a），在每一狀況下經由至少一個第二扭轉彈簧（52）附接至該基板（10）或沈積於該基板表面（10a）上之至少一個層（29a、29b），且在每一狀況下經由至少一個第三扭轉彈簧（54）附接至經指派至其之該第一電極（20）。
  4. 如請求項3之微機械構件，其中在每一狀況下，至少兩個槓桿元件（18）可以一方式指派至每一第一電極（20），使得經指派至其的該至少兩個槓桿元件（18）經由其第三扭轉彈簧（54）接合至各別第一電極（20），且其中經指派至同一第一電極（20）的該至少兩個槓桿元件（18）之所有第一扭轉彈簧（50）彼此平行地定向且相互偏移，經指派至同一第一電極（20）之該至少兩個槓桿元件（18）之所有第二扭轉彈簧（52）彼此平行地定向且相互偏移，且經指派至同一第一電極（20）的該至少兩個槓桿元件（18）之所有第三扭轉彈簧（54）彼此平行地定向且相互偏移。
  5. 如請求項1至4中任一項之微機械構件，其中至少該至少一個槓桿元件（18）及該至少一個第一電極（20）由一第一半導體及/或金屬層（24）形成，該第一半導體及/或金屬層（24）經配置於該基板表面（10a）之經定向遠離該基板（10）的一側上，且其中至少該隔膜（12）之該自支撐區域（14）由一第二半導體及/或金屬層（26）形成，該第二半導體及/或金屬層（26）經配置於該第一半導體及/或金屬層（24）之經定向遠離該基板（10）的一側上。
  6. 如請求項5之微機械構件，其中至少一個第一相對電極（28）直接或間接地配置於與該至少一個第一電極（20）毗鄰之該基板表面（10a）上，及/或至少一個第二相對電極（36）直接或間接地配置於與該至少一個第二電極（34）毗鄰之該基板表面（10a）上，且其中該至少一個第一相對電極（28）及/或該至少一個第二相對電極（36）由配置於該基板表面（10a）與該第一半導體及/或金屬層（24）之間的一電極材料層（30）形成。
  7. 如請求項1至6中任一項之微機械構件，其中該至少一個槓桿元件（18）及附接至該至少一個槓桿元件（18）之該至少一個第一電極（20）由一框架結構（42）封圍，該隔膜（12）橫跨該框架結構拉伸，其中以一方式將由該框架結構（42）及該隔膜（12）封圍的其中存在一參考壓力（p0 ）之一內部容積（44）以一氣密方式密封，使得至少該隔膜（12）之該自支撐區域（14）可藉助於該自支撐區域（14）之該外隔膜側（14b）上不等於該參考壓力（p0 ）之一物理壓力（p）而變形。
  8. 一種電容式感測器或開關機構，其具有： 如請求項1至7中任一項之微機械構件。
  9. 如請求項8之電容式感測器或開關機構，其中經設計為一電容式壓力感測器裝置的該電容式感測器或開關機構之該微機械構件具有如請求項7之特徵，且包含一電子評估單元，該電子評估單元經設計以在至少考慮到當前所判定的關於在該至少一個第一電極（20）與該至少一個第一相對電極（28）之間存在的一電壓的所量測量的情況下，確立並輸出與當時存在於該隔膜（12）之該自支撐區域（14）之該外隔膜側（14b）處之該物理壓力（p）有關的一量測值。
  10. 一種用於電容式感測器或開關機構的微機械組件的製造方法，其具有以下步驟： 以一方式形成一隔膜（12），該隔膜直接或間接地在一基板（10）之一基板表面（10a）上方拉伸，具有一自支撐區域（14），該自支撐區域（14）包含經定向朝向該基板（10）之一內隔膜側（14a）及經定向遠離該基板（10）之一外隔膜側（14b），使得該隔膜（12）之該自支撐區域（14）可由施加於該外隔膜側（14b）上之力而變形；及 形成至少一個槓桿元件（18）及附接至該至少一個槓桿元件（18）之至少一個第一電極（20），其中該至少一個槓桿元件（18）以一方式附接至該隔膜（12），使得當該隔膜（12）之該自支撐區域（14）變形時，該至少一個槓桿元件（18）在一旋轉運動中位移，由此該至少一個所附接第一電極（20）在與該基板表面（10a）成一定角度定向之一第一位移運動（22）中位移； 其特徵在於 該至少一個槓桿元件（18）及附接至該至少一個槓桿元件（18）之該至少一個第一電極（20）配置於該基板表面（10a）與該隔膜（12）之該自支撐區域（14）之該內隔膜側（14a）之間。
  11. 如請求項10之製造方法，其中至少該至少一個槓桿元件（18）及該至少一個第一電極（20）由一第一半導體及/或金屬層（24）形成，該第一半導體及/或金屬層（24）經配置於該基板表面（10a）之經定向遠離該基板（10）的一側上，且其中至少該隔膜（12）之該自支撐區域（14）由一第二半導體及/或金屬層（26）形成，該第二半導體及/或金屬層（26）經配置於該第一半導體及/或金屬層（24）之經定向遠離該基板（10）的一側上。
  12. 一種用於製造電容式感測器或開關機構的方法，該方法具有以下步驟： 根據如請求項10或11之製造方法來製造微機械構件。
TW109111989A 2019-04-12 2020-04-09 用於電容式感測器或開關機構的微機械構件 TW202044006A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019205348.3A DE102019205348A1 (de) 2019-04-12 2019-04-12 Mikromechanisches Bauteil für eine kapazitive Sensor- oder Schaltervorrichtung
DE102019205348.3 2019-04-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202044006A true TW202044006A (zh) 2020-12-01

Family

ID=70008527

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109111989A TW202044006A (zh) 2019-04-12 2020-04-09 用於電容式感測器或開關機構的微機械構件

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11976995B2 (zh)
CN (1) CN113710608A (zh)
DE (1) DE102019205348A1 (zh)
TW (1) TW202044006A (zh)
WO (1) WO2020207798A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020206242A1 (de) * 2020-05-18 2021-11-18 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Mikrofonvorrichtung
DE102020214757A1 (de) * 2020-11-25 2022-05-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Sensorvorrichtung und Verfahren zum Detektieren eines Innendrucks und/oder einer Änderung des Innendrucks in einem gasdicht abgeschlossenen Innenvolumen einer Gehäusekomponente
DE102021206005A1 (de) 2021-06-14 2022-12-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanisches Bauteil für eine Mikrofonvorrichtung
DE102022201590A1 (de) 2022-02-16 2023-08-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanischer Drucksensor mit Herstellungsverfahren und Verfahren zur Erfassung einer Druckgröße
DE102022206287A1 (de) 2022-06-23 2023-12-28 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- und/oder Mikrofonvorrichtung

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9290067B2 (en) * 2012-08-30 2016-03-22 Freescale Semiconductor, Inc. Pressure sensor with differential capacitive output
JP5714648B2 (ja) * 2012-11-16 2015-05-07 株式会社豊田中央研究所 力学量ｍｅｍｓセンサ及び力学量ｍｅｍｓセンサシステム
DE102014214525B4 (de) * 2014-07-24 2019-11-14 Robert Bosch Gmbh Mikro-elektromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für mikro-elektromechanische Bauteile
CN104897334B (zh) * 2015-06-29 2017-07-21 歌尔股份有限公司 一种mems压力传感元件
JP6430355B2 (ja) * 2015-10-16 2018-11-28 株式会社東芝 センサ装置
DE102017100445B3 (de) * 2017-01-11 2018-03-22 Preh Gmbh Kapazitiver Kraftsensor mit verbesserter Befestigung

Also Published As

Publication number Publication date
US20220155168A1 (en) 2022-05-19
DE102019205348A1 (de) 2020-10-15
US11976995B2 (en) 2024-05-07
WO2020207798A1 (de) 2020-10-15
CN113710608A (zh) 2021-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW202044006A (zh) 用於電容式感測器或開關機構的微機械構件
US8671757B2 (en) Micromechanical component
US6640643B2 (en) Capacitive pressure sensor with multiple capacitive portions
US8779536B2 (en) Hybrid integrated pressure sensor component
JP4296728B2 (ja) 静電容量型圧力センサおよびその製造方法並びに静電容量型圧力センサに用いるセンサ用構造体
JP5677971B2 (ja) 相対的に小型の複数のｍｅｍｓデバイスを用いて相対的に大型のｍｅｍｓデバイスを置き換える方法
EP1522521B1 (en) Capacitive sensor
JP6256619B2 (ja) 改良された圧力センサ構造
TW201512076A (zh) 微機械構件與製造微機械構件的方法
JP2003332587A (ja) メンブレンを有する半導体装置およびその製造方法
US10807860B2 (en) Micromechanical component for a pressure sensor device
US20150054101A1 (en) Micromechanical component and method for manufacturing a micromechanical component
US20130334624A1 (en) Method of providing a semiconductor structure with forming a sacrificial structure
KR20120015845A (ko) 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법
CN111811726A (zh) 用于电容式传感器或开关设备的微机械构件
US10556791B2 (en) CMOS compatible capacitive absolute pressure sensors
TWI702182B (zh) 用於壓力感測器裝置的微機械構件
US11840445B2 (en) MEMS sensor including a diaphragm and method for manufacturing a MEMS sensor
JP7177274B2 (ja) センサ装置およびセンサ装置の製造方法
JPWO2002101836A1 (ja) 半導体装置およびその製造方法
TWI438432B (zh) 加速度感測器，其應用及具有此加速度感測器的車子
US11585710B2 (en) Capacitive pressure sensor with reduced bimetal effect
JPH06229859A (ja) 薄膜圧力センサとその製造方法
TW202108997A (zh) 電容式壓力感測器設備的微機械組件
JP2010078421A (ja) 加速度センサ