WO2017085003A1

WO2017085003A1 - Mikromechanische struktur für einen beschleunigungssensor

Info

Publication number: WO2017085003A1
Application number: PCT/EP2016/077549
Authority: WO
Inventors: Johannes Classen; Denis Gugel; Sebastian Guenther; Markus LINCK-LESCANNE; Antoine PUYGRANIER; Timm Hoehr; Guenther-Nino-Carlo Ullrich
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2017-05-26
Also published as: US20180328959A1; DE102015222532A1; US10656173B2

Abstract

Mikromechanische Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor, aufweisend: - eine bewegliche seismische Masse (10) mit Elektroden (11), wobei die seismische Masse (10) mittels eines Anbindungselements (12) an ein Substrat (1) angebunden ist; - feststehende Gegenelektroden (20, 21) für die Elektroden (11), wobei erste Gegenelektroden (21) an eine erste Trägerplatte (30) angebunden ist, wobei zweite Gegenelektroden (22) an eine zweite Trägerplatte (31) angebunden sind und wobei die Gegenelektroden (20, 21) gemeinsam mit den Elektroden (11) in einer Sensierebene der mikromechanischen Struktur (100) ineinander verschachtelt angeordnet sind; und wobei - die Trägerplatten (30, 31) in einer Ebene unterhalb der Sensierebene ineinander verschachtelt angeordnet sind und mittels jeweils eines Anbindungselements (40, 41) an einen Zentralbereich des Substrats (1) angebunden sind.

Description

Beschreibung Titel

Mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor.

Stand der Technik

Moderne Sensoren zur Messung von Beschleunigung umfassen üblicherweise eine mikromechanische Struktur aus Silizium („Sensorkern") und eine Auswerteelektronik.

Beschleunigungssensoren zur Erfassung von Bewegungen in der Ebene sind bekannt. Diese umfassen eine bewegliche, seismische Masse und Elektroden. Bei einer Bewegung der seismischen Masse ändern sich die Abstände der Elektroden, wodurch eine Beschleunigung detektiert werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor, aufweisend:

eine bewegliche seismische Masse mit Elektroden, wobei die seismische Masse mittels eines Anbindungselements an ein Substrat angebunden ist;

feststehende Gegenelektroden für die Elektroden, wobei erste Gegenelektroden an eine erste Trägerplatte angebunden ist, wobei zweite Gegen- elektroden an eine zweite Trägerplatte angebunden sind und wobei die Gegenelektroden gemeinsam mit den Elektroden in einer Sensierebene der mikromechanischen Struktur ineinander verschachtelt angeordnet sind; und wobei

- die Trägerplatten in einer Ebene unterhalb der Sensierebene ineinander verschachtelt angeordnet sind und mittels jeweils eines Anbindungselements an einen Zentralbereich des Substrats angebunden sind.

Auf diese Weise werden Anbindungsstrukturen für die Gegenelektroden und die seismische Masse platzoptimiert und damit ressourcenschonend ausgebildet. Im

Ergebnis wird ein Anbindungs- bzw. Verankerungsbereich zur Anbindung an das Substrat verdichtet bzw. kompakt ausgestaltet, wodurch der gesamte Sensor vorteilhaft kleiner ausgebildet werden kann. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum

Herstellen einer mikromechanischen Struktur für einen Beschleunigungssensor, aufweisend die Schritte:

Bereitstellen eines Substrats;

- Ausbilden von Elektroden in einer beweglich ausgebildeten seismischen Mas- se;

- Anbinden der beweglichen seismischen Masse an das Substrat mittels eines Anbindungselements;

- Ausbilden von feststehenden Gegenelektroden für die Elektroden; wobei erste Gegenelektroden und zweite Gegenelektroden auf jeweils einer Trägerplatte angeordnet werden; wobei

die Elektroden zusammen mit den Gegenelektroden in einer Sensierebene der mikromechanischen Struktur ineinander verschachtelt angeordnet werden; und wobei die seismische Masse und die Trägerplatten mittels jeweils eines Anbindungselements in einem Zentralbereich an das Substrat angebun- den werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der mikromechanischen Struktur sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass die seismische Masse mittels zweier Anbindungselemente das Substrat angebunden ist, wobei die Anbindungselemente für die erste und zweite Trägerplatte in Sensierrichtung der seismischen Masse auf gleicher Höhe am Substrat angeordnet sind, wobei die Anbindungselemente spiegelsymmetrisch am Substrat angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein noch höherer Symmetriegrad für die mikromechanische Struktur bereitgestellt werden. Im Ergebnis sind dadurch noch bessere Sensiereigenschaften für den mikromechanischen Beschleunigungssensor unterstützt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass auf jeder Trägerplatte ein Verstärkungselement zum Verstärken der Trägerplatte angeordnet ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft unterstützt, dass die Trägerplatten für die Gegenelektroden mechanisch nicht überbeansprucht werden. Ein Schutz der genannten Trägerplatten vor z.B. Durchschwingen ist dadurch auf einfache Weise realisierbar.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass die seismische Masse zwei zueinander symmetrisch angeordnete Federelemente aufweist, wobei in jedem Federelement vier voneinander beabstandete Anschlagselemente ausgebildet sind, wobei zwei erste Anschlagselemente weiter voneinander beabstandet sind als zwei zweite Anschlagselemente. Auf diese

Weise werden kaskadierte Anschläge für die seismische Masse bereitgestellt, wodurch unterstützt ist, dass mechanische Anschlagsenergie (z.B. aufgrund eines Aufpralls der Struktur am Boden) sukzessive in nacheinander erfolgenden Anschlagsprozessen abgebaut werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass außerhalb von Eckbereichen der seismischen Masse jeweils zwei um neunzig Grad versetzte dritte Anschlagselemente ausgebildet sind. Auf diese Weise wird ein Anschlagsbereich für besondere hohe Anschlags- energie bereitgestellt, wodurch Aufprallprozesse der mikromechanischen Struktur weitgehend gedämpft werden können.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass Bereiche der seismischen Masse perforiert sind, die für eine Anbindung einer definierten Anzahl von elektrischen Leiterbahnen vorgesehen sind.

Dadurch ist unterstützt, dass die seismische Masse weitestgehend unperforiert ausgebildet sein kann, was in einer größeren Dichte und damit einer höheren Masse resultiert. Auf diese Weise kann ein Sensierverhalten des Beschleunigungssensors verbessert sein. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur sieht vor, dass an die ersten Gegenelektroden ein erstes elektrisches Potential zuführbar ist, dass an die zweiten Gegenelektroden ein zweites elektrisches Potential zuführbar ist und dass an die Elektroden Massepotential zuführbar ist. Dadurch werden geeignete elektrische Potentiale bereitgestellt, um bei einem Zusam- menwirken mit den auf Massepotential gelegten beweglichen Elektroden mit den

Gegenelektroden ein effizientes Sensieren von differentiellen Kapazitätsänderungen zu ermöglichen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Struktur ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektroden in einer ersten Funktionsschicht ausgebildet sind, dass Abstandselemente in einer zweiten Funktionsschicht ausgebildet sind, dass die Trägerplatten in einer dritten Funktionsschicht ausgebildet sind und dass die Anbindungselemente in einer vierten Funktionsschicht ausgebildet sind. Auf diese Weise werden die einzelnen Elemente in un- terschiedlichen Funktionsschichten von Halbleitermaterial ausgebildet, wodurch eine Herstellung der mikromechanischen Struktur nach bekannten Verfahren der Halbleitermikromechanik unterstützt ist.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche

Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu ausgeführt.

Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden of- fenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die mikromechanische Struktur in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung der mikromechanischen Struktur ergeben und umgekehrt.

In den Figuren zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine herkömmliche mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor;

Fig. 2 bis 4 Detailansichten der Struktur von Fig. 1 ;

Fig. 5 und 6 Querschnittsansichten durch Schnitte der Struktur von Fig. 4;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer mikromechanischen Struktur;

Fig. 8 eine Detailansicht der Struktur von Fig. 7;

Fig. 9 eine weitere Detailansicht der Struktur von Fig. 7; Fig. 10 eine weitere Detailansicht Struktur von Fig. 7;

Fig. 1 1 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen mikromechanischen

Struktur mit einer Hervorhebung von elektrischen Potentialen; Fig. 12 eine Querschnittsansicht eines Schnitts der Struktur von Fig. 1 1 ;

Fig. 13 eine weitere Querschnittsansicht eines Schnitts der Struktur von

Fig. 1 1 ; Fig. 14 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur;

Fig. 15 eine Detailansicht der Struktur von Fig. 14; Fig. 16 eine weitere Detailansicht der Struktur von Fig. 14;

Fig. 17 eine Andeutung von elektrischen Potentialen von einzelnen Elektroden der mikromechanischen Struktur; Fig. 18 eine Detailansicht der Struktur von Fig. 18; und Fig. 19 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung von Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine herkömmliche mikromechanische Struktur 100 für einen Beschleunigungssensor. Die mikromechanische Struktur 100 um- fasst eine bewegliche seismische Masse 10, die mittels eines zentral angeordneten Anbindungselements 12 an ein unter der seismischen Masse 10 angeordne- tes Substrat 1 („Festland", nicht dargestellt) angebunden bzw. mit diesem verankert ist. Die seismische Masse 10 ist mittels zweier Federelemente 13 und des Anbindungselements 12 beweglich gelagert, wobei die beiden Federelemente 13 über ein länglich ausgebildetes, perforiertes Balken- bzw. Stegelement miteinander verbunden sind. Überlastbegrenzungselemente 50 sind dazu vorgesehen, ein Auslenken der seismischen Masse 10 bei Überlast zu verhindern. Eine Sen- sierrichtung der dargestellten mikromechanischen Struktur 100 entspricht einer x- Richtung eines in Fig. 1 dargestellten Koordinatensystems.

Die bewegliche seismische Masse 10 weist nach innen in einen Zentralbereich der seismischen Masse 10 sich erstreckende Elektroden 1 1 auf, die auf Massepotential gelegt sind und mit ersten Gegenelektroden 20 und zweiten Gegenelektroden 21 zusammenwirken, um auf diese Weise bei einer Auslenkung der seismischen Masse 10 in der Ebene differentielle Kapazitätsänderungen zu sen- sieren. Die Gegenelektroden 20, 21 sind mittels jeweils eines Anbindungsele- ments 40, 41 an das Substrat 1 angebunden bzw. mit diesem verankert.

Fig. 2 zeigt die seismische Masse 10 von Fig. 1 in Draufsicht. Man erkennt die zentrale Anbindung der seismischen Massen 10 an das Substrat 1 mittels des Anbindungselements 12 sowie Ausnehmungen für Überlastbegrenzungselemen- te 50 (nicht dargestellt). Ferner erkennbar sind die sich nach innen erstreckenden

Elektroden 1 1 .

Fig. 3 zeigt eine Hälfte der Gegenelektroden 20, 21 für die seismische Masse 10 in einer Draufsicht mit den entsprechenden Anbindungselementen 40, 41 . Dabei sind die zweiten Gegenelektroden 21 auf einer zweiten Trägerplatte 31 angeordnet, wobei Abstandselemente 32 vorgesehen sind, um die zweiten Gegenelektroden 21 auf der Trägerplatte 31 definiert erhöht anzuordnen. Fig. 4 zeigt die Struktur von Fig. 3 in einer anderen Darstellung, wobei zwei

Schnitte A-A und B-B angedeutet sind, entlang derer in den Figuren 5 und 6 Querschnittsansichten der Struktur dargestellt sind. Man erkennt die zweite Trägerplatte 31 für die zweiten Gegenelektroden 21. Die Gegenelektroden 20, 21 sind in einer ersten Funktionsschicht von Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium ausgebildet, die Abstandselemente 32 zwischen den Trägerplatten 30, 31 und der Gegenelektroden 20, 21 sind in einer zweiten Funktionsschicht des Halbleitermaterials ausgebildet, die Trägerplatten 30, 31 sind in einer dritten Funktionsschicht des Halbleitermaterials ausgebildet, die Anbindungselemente 40, 41 sind in einer vierten Funktionsschicht des Halbleitermaterials ausgebildet. Alle genannten Funktionsschichten sind in unterschiedlichen Ebenen des Halbleitermaterials angeordnet.

Fig. 5 zeigt die Struktur entlang des Schnittes A-A von Fig. 4. Erkennbar sind die Gegenelektroden 20, 21 oberhalb der ersten Trägerplatte 30.

Fig. 6 zeigt den Schnitt entlang der Schnittlinie B-B von Fig. 4, wobei erkennbar ist, dass die zweiten Gegenelektroden 21 mittels der Abstandselemente 32 auf der ersten Trägerplatte 30 verbunden sind.

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 100. Erkennbar ist eine spezifische Ausgestaltung bzw. Anordnung der Anbindungselemente bzw. Verankerungen der Trägerplatten 30, 31 und der Masse 10 am Substrat 1 , so dass auf diese Weise eine kompakte„zentrale Anbindung " für die feststehenden Gegenelektroden 20, 21 realisiert wird.

Man erkennt mit einer schraffierten Andeutung, dass die Trägerplatten 30, 31 unterhalb der Strukturen der seismischen Masse 10 angeordnet sind, wobei auf der ersten Trägerplatten 30 die ersten Gegenelektroden 20 und auf der zweiten Trägerplatte 31 die zweiten Gegenelektroden 21 angeordnet sind. Im Zentralbereich der mikromechanischen Struktur 100 sind nunmehr zwei Trägerplatten 30, 31 L- förmig ausgebildet und ineinander verschachtelt in einer Ebene unterhalb der Elektrodenstrukturen 1 1 , 20, 21 angeordnet. Ferner ist um das zentrale Anbin- dungselement 12 angeordnet eine weitere Platte auf gleicher Höhe wie die Trä- gerplatten 30, 31 erkennbar, die dafür vorgesehen ist, dass das Anbindungsele- ment 12 nicht unterätzt wird.

Im Ergebnis ist dadurch erreicht, dass nunmehr drei Anbindungs- bzw. Verankerungsstrukturen der Trägerplatten 30, 31 mit dem Substrat 1 vorhanden sind, die platzsparend in einem Zentralbereich der mikromechanischen Struktur 100 angeordnet sind, nämlich das Anbindungselement 12 für die seismische Masse 10 und die Anbindungselemente 40, 41 für die erste bzw. zweite Trägerplatte 30, 31 . Auf diese Weise kann der Anbindungsbereich kompakt ausgebildet werden, was eine Gesamtgröße einer Sensorvorrichtung mit der mikromechanischen Struktur 100 bedeutsam verringern kann, größenordnungsmäßig in einem Ausmaß von bis zu ca. 30 %. Im Ergebnis ergibt sich für die mikromechanische Struktur 100 eine punktsymmetrische Ausbildung der Anbindungsstrukturen an das Substrat 1 . Eine Sensierrichtung der mikromechanischen Struktur 100 von Fig. 7 erstreckt sich ebenso wie bei der herkömmlichen Struktur von Fig. 1 in x-Richtung eines angedeuteten kartesischen Koordinatensystems.

Man erkennt aus Fig. 7 ferner, dass der Hauptanteil der beweglichen seismischen Masse 10 unperforiert ausgebildet ist und nur in definierten Bereichen 10a perforiert ausgebildet ist, wobei in diesen perforierten Bereichen 10a Strukturen zum Anlegen von elektrischen Potentialen an die Gegenelektroden 20, 21 bereitgestellt werden, wie weiter unten näher erläutert wird. Durch das Unperforiert- Sein ist eine hohe Dichte der seismischen Masse 10 unterstützt, was Detektions- eigenschaften eines Beschleunigungssensors verbessern kann. Erkennbar ist ein erstes Anschlagselement 60 in einem oberen Abschnitt des

Federelements 13, welches dazu dient, eine geringe Überlast auf die seismische Masse 10 zu dämpfen. Ferner erkennbar ist ein zweites Anschlagselement 61 im Federelement 13, welches eine größere Überlast auf die seismische Masse 10 dämpfen kann. Im Ergebnis sind die pro Federelement 13 insgesamt vier An- Schlagselemente 60, 61„kaskadiert" ausgebildet, was eine platzsparende Dämpfungsstruktur für die mikromechanische Struktur 100 bereitstellt. Insbesondere kann dies bei sogenannten„Klebeproblemen" der seismischen Masse 10 hilfreich sein. Kleben ist bei derart kleinen Strukturen oftmals problematisch, weil Oberflächenkräfte im Vergleich zu anderen Kräften die Oberhand gewinnen.

Auf diese Weise ist es möglich, dass die seismische Masse 10 bei mittlerer Über- last (Kräfte bis ca. 10.000 G) an die Anschlagselemente 60, 61 anschlägt. Nur bei Überlast schlägt die seismische Masse 10 gegen außerhalb der seismischen Masse 10 angeordnete dritte Anschlagselemente 63 an. Dies hat den Vorteil, dass die innen liegenden Anschlagselemente 60, 61 auf ein gemeinsames Massepotential gelegt werden können.

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf einen vergrößerten Ausschnitt der Struktur von Fig. 7.

Fig. 9 ist eine Draufsicht auf einen Teilbereich der erfindungsgemäßen mikrome- chanischen Struktur 100. Erkennbar ist, dass gegenüber der herkömmlichen

Struktur 100 die Verankerung der Gegenelektroden 20, 21 und der seismischen Masse 10 vorteilhaft von sieben auf drei Elemente reduziert worden ist. Vorgesehen sind zu diesem Zweck ein Anbindungselement 40 für die erste Trägerplatte 30, ein Anbindungselement 41 für die zweite Trägerplatte 31 und das Anbin- dungssegment 12 für die seismische Masse 10, wobei alle genannten Anbin- dungselemente zum Anbinden der entsprechenden Elemente an das Substrat 1 vorgesehen sind. Auf diese Weise„hängen" die Gegenelektroden 20, 21 auf beiden Seiten der seismischen Masse 10 jeweils an einem einzelnen Anbindungselement 40, 41 .

Fig. 10 zeigt der besseren Übersichtlichkeit halber nur die zweiten Gegenelektrode 21 , die auf der zweiten Trägerplatte 31 angeordnet sind und die auf demselben elektrischen Potential liegen. Um die dazu erforderliche elektrische Kontak- tierung herzustellen, ist vorgesehen, mittels eines Leitungselements (nicht dar- gestellt), das in einer Leiterbahnebene der Halbleiterstruktur ausgebildet ist, eine

Leiterbahn von außen an das Anbindungselement 41 zu führen. Erkennbar ist das Anbindungselement 41 zur Anbindung der zweiten Trägerplatte 31 an das Substrat 1 .

Fig. 1 1 zeigt eine Draufsicht auf die Gesamtheit der ersten und zweiten Gegenelektroden 20, 21 mit einer graphischen Hervorhebung von elektrischen Potentia- len. Man erkennt, dass die die elektrischen Potentiale der ersten Gegenelektroden 20 und die elektrischen Potentiale der zweiten Gegenelektroden 21 unterschiedlich sind, um auf diese Weise im Zusammenwirken mit den beweglichen Elektroden 1 1 (nicht dargestellt in Fig. 1 1 ) differentielle Kapazitätsänderungen zu detektieren. Die Trägerplatten 30, 32 sind in derselben Ebene angeordnet, wobei die auf ihnen angeordneten Gegenelektroden 20, 21 gewissermaßen verschachtelt mit den beweglichen Elektroden 1 1 ausgebildet sind, so dass sie mit den Elektroden 1 1 in einer Ebene („Sensierebene") in Sensierrichtung beweglich sind.

Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht entlang eines Schnitt C-C von Fig. 1 1. Man erkennt, dass das Anbindungselement 41 vorgesehen ist, um die zweite Trägerplatte 31 auf dem Substrat 1 zu verankern, wobei auf der zweiten Trägerplatte 31 Abstandselemente 32 vorgesehen sind, auf denen die zweiten Gegenelektroden 21 definiert beabstandet von der Trägerplatte 31 angeordnet sind.

Fig. 13 zeigt eine Querschnittsansicht entlang eines Schnitts D-D von Fig. 1 1 .

Die Schnittansichten von Fig. 12 und Fig. 13 sind lediglich qualitativ zu verstehen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu bzw. exakt auf die Strukturen von Fig.

1 1 ausgerichtet dargestellt. Man erkennt in Fig. 12 ferner ein Leitungselement 70 zur Zuführung eines vorgesehenen elektrischen Potentials an die Gegenelektroden 20, 21 bzw. an die seismische Masse 10. Fig. 14 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 100. Bei dieser Variante ist erkennbar, dass nunmehr zwei Anbindungselemente 12 für die seismische Masse 10 vorgesehen sind, die vom Zentralbereich beabstandet jeweils mit einem Federelement 13 verbunden sind. Ferner sind die beiden Trägerplatten 30, 31 für die Gegenelektroden nunmehr gewissermaßen„U-artig" ausgebildet und ineinander verschachtelt angeordnet, wobei die Anbindungselemente 40, 41 für die Gegenelektroden 20, 21 zentral angeordnet sind. Man erkennt, dass dadurch die Anbindungselemente 40, 41 für die erste und zweite Trägerplatte in Sensierrichtung der seismischen Masse 10 auf gleicher Höhe am Substrat 1 angeordnet sind, wobei die Anbindungselemente spiegelsymmetrisch am Substrat angeordnet sind. Im Ergebnis ist dadurch eine spiegelsymmetrische Anordnung der Anbindungs- elemente 12, 40, 41 realisiert, wodurch gegenüber der Variante von Fig. 7 ein erhöhter Symmetriegrad des Verankerungsbereichs der Trägerplatten 30, 31 und der seismischen Masse 10 realisiert ist. Auf diese Weise kann eine Sensiercha- rakteristik des Beschleunigungssensors, welche in hohem Maße von einer Symmetrie der verwendeten Strukturen abhängt, verbessert sein.

Fig. 15 zeigt einen Ausschnitt der Struktur von Fig. 14, wobei zwei Verstärkungs- elemente 80, 81 erkennbar sind, die auf einer entsprechenden Trägerplatte 30,

31 angeordnet ist. Die Verstärkungselemente 80, 81 haben vor allem den Zweck, dass sie die dünnen U-artigen Trägerplatten 30, 31 (Dicke ca. 1 μηη bis ca. 2μη"ΐ) in einem zentralen Bereich verstärken, so dass sie vor einem Durchschwingen oder sonstigen mechanischen Verformungen bewahrt werden.

Fig. 16 zeigt die auf demselben elektrischen Potential befindlichen zweiten Gegenelektroden 21 zusammen mit der zweiten Trägerplatte 31 und dem Verstärkungselement 81. In einem rechten Abschnitt von Fig. 16 ist eine Querschnittansicht entlang eines Schnitts E-E dargestellt.

Fig. 17 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 100 mit einer Andeutung von elektrischen Potentiale der Gegenelektroden 20, 21 und des Anbindungselements 12. Alle ersten Gegenelektroden 20 sind jeweils miteinander funktional elektrisch verschaltet und weisen auf diese Art und Weise jeweils das gleiche elektrische Potential P1 auf. Alle zweiten Gegenelektroden 21 sind jeweils miteinander funktional elektrisch verschaltet und weisen auf diese Art und Weise jeweils das gleiche elektrische Potential P2 auf. Das zentrale Anbindungselement 12 für die seismische Masse 10 ist auf Massepotential gelegt. Ein Vorteil der in der dritten Funktionsschicht der Halbleiterstruktur ausgebildeten Trägerplatten 30, 31 liegt darin, dass sie auf Substratpotential liegen. Dadurch sind die Bewegungen der Leitungselemente 70, die durch Verformung entstehen können, von den Gegenelektroden 20, 21 elektrostatisch entkoppelt. Vorteilhaft können dadurch bei einer Bewegung der Gegenelektroden 20, 21 unerwünschte Signale weitgehend vermieden werden. Mit der Draufsicht von Fig. 17 wird eine elektrische Beschaltung der gesamten mikromechanischen Struktur 100 angedeutet. Erkennbar ist, dass in perforierten Bereichen 10a der seismischen Masse 10 unterschiedliche elektrische Potentiale P1 , P2, PM an die Gegenelektroden 20, 21 bzw. an das Anbindungselement 12 geführt werden. Erkennbar ist ein dazu vorgesehenes Leitungselement, das mit einem ersten elektrischen Potential P1 , ein Leitungselement, das mit einem zweiten elektrischen Potential P2 und ein Leitungselement, das mit Massepotential PM beaufschlagt wird. Ferner erkennbar ist, dass der zentrale Anbindungsbe- reich der beweglichen seismischen Masse 10 mit dem Massepotential PM beauf- schlagt wird. Auf diese Weise sind geeignete elektrische Potentiale der Gegenelektroden 20, 21 realisiert, um bei einer Bewegung der Masseelektroden 1 1 zwischen den Gegenelektroden 20, 21 differentielle Kapazitätsänderungen zu erfassen. Fig. 18 zeigt zur Verdeutlichung des erläuterten Prinzips einen Ausschnitt von

Fig. 17 in einer vergrößerten Darstellung. Man erkennt drei Leiterbahnen, die an die drei Anbindungselemente 12, 42 und 41 angebunden sind.

Fig. 19 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfah- rens zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur 100 für einen Beschleunigungssensor.

In einem Schritt 200 wird ein Substrat 1 bereitgestellt. In einem Schritt 210 wird ein Ausbilden von Elektroden 1 1 in einer beweglich ausgebildeten seismischen Masse 10 durchgeführt.

In einem Schritt 220 wird mittels eines Anbindungselements 12 die bewegliche seismische Masse 10 an das Substrat 1 angebunden.

In einem Schritt 230 werden feststehende Gegenelektroden 20, 21 für die Elektroden 1 1 ausgebildet, wobei erste Gegenelektroden 20 und zweite Gegenelektroden 21 auf jeweils einer Trägerplatte 30, 31 angeordnet werden, wobei die Elektroden 1 1 zusammen mit den Gegenelektroden 20, 21 in einer Sensierebene der mikromechanischen Struktur 100 ineinander verschachtelt angeordnet werden, wobei die seismische Mas- se 10 und die Trägerplatten 30, 31 mittels jeweils eines Anbindungselements 12, 40, 41 in einem Zentralbereich an das Substrat 1 angebunden werden.

Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine mikromechanische Struktur für einen Beschleunigungssensor vorgeschlagen, die vorteilhaft eine kompakte Verankerungsstruktur für die seismische Masse und die Gegenelektroden für die Masseelektroden am Substrat bereitstellt. Im Ergebnis kann

dadurch für einen mikromechanischen Beschleunigungssensor eine kompakte und damit kostengünstige Bauweise realisiert werden.

Obwohl die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird also erkennen, dass vielfältige Abwandlungen möglich sind, die vorgehend nicht oder nur teilweise beschrieben wurden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche

1 . Mikromechanische Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor, aufweisend:

eine bewegliche seismische Masse (10) mit Elektroden (1 1 ), wobei die seismische Masse (10) mittels eines Anbindungselements (12) an ein Substrat (1 ) angebunden ist;

feststehende Gegenelektroden (20, 21 ) für die Elektroden (1 1 ), wobei erste Gegenelektroden (21 ) an eine erste Trägerplatte (30) angebunden ist, wobei zweite Gegenelektroden (22) an eine zweite Trägerplatte (31 ) angebunden sind und wobei die Gegenelektroden (20, 21 ) gemeinsam mit den Elektroden (1 1 ) in einer Sensierebene der mikromechanischen Struktur (100) ineinander verschachtelt angeordnet sind; und wobei die Trägerplatten (30, 31 ) in einer Ebene unterhalb der Sensierebene ineinander verschachtelt angeordnet sind und mittels jeweils eines Anbindungselements (40, 41 ) an einen Zentralbereich des Substrats (1 ) angebunden sind.

2. Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (10) mittels zweier Anbindungselemente (12) an das Substrat (1 ) angebunden ist, wobei die Anbindungselemente (40, 41 ) für die erste und zweite Trägerplatte (30, 31 ) in Sensierrichtung der seismischen Masse (10) auf gleicher Höhe am Substrat (1 ) angeordnet sind, wobei die Anbindungselemente (12, 40, 41 ) spiegelsymmetrisch am Substrat (1 ) angeordnet sind.

Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Trägerplatte (30, 31 ) ein Verstärkungselement (80, 81 ) zum Verstärken der Trägerplatte (30, 31 ) angeordnet ist.

4. Mikromechanische Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (10) zwei zuei- nander symmetrisch angeordnete Federelemente (13) aufweist, wobei in jedem Federelement (13) vier voneinander beabstandete Anschlagselemente (60, 61 ) ausgebildet sind, wobei zwei erste Anschlagselemente (60) weiter voneinander beabstandet sind als zwei zweite Anschlagselemente (61 ).

5. Mikromechanische Struktur (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb von Eckbereichen der seismischen Masse (10) jeweils zwei um neunzig Grad versetzte dritte Anschlagselemente (63) ausgebildet sind.

6. Mikromechanische Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche (10a) der seismischen Masse (10) perforiert sind, die für eine Anbindung einer definierten Anzahl von elektrischen Leiterbahnen vorgesehen sind.

7. Mikromechanische Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die ersten Gegenelektroden (20) ein erstes elektrisches Potential (P1 ) zuführbar ist, dass an die zweiten Gegenelektroden (21 ) ein zweites elektrisches Potential (P2) zuführbar ist und dass an die Elektroden (1 1 ) Massepotential (PM) zuführbar ist.

8. Mikromechanische Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektroden (20, 21 ) in einer ersten Funktionsschicht ausgebildet sind, dass Abstandselemente (32) in einer zweiten Funktionsschicht ausgebildet sind, dass die Trägerplatten (30, 31 ) in einer dritten Funktionsschicht ausgebildet sind und dass die Anbin- dungselemente (12, 40, 41 ) in einer vierten Funktionsschicht ausgebildet sind.

9. Beschleunigungssensor aufweisend eine mikromechanischen Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

10. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Struktur (100) für einen Beschleunigungssensor, aufweisend die Schritte:

Bereitstellen eines Substrats (1 );

- Ausbilden von Elektroden (1 1 ) in einer beweglich ausgebildeten seismischen Masse (10); - Anbinden der beweglichen seismischen Masse (10) an das Substrat (1 ) mittels eines Anbindungselements (12);

- Ausbilden von feststehenden Gegenelektroden (20, 21 ) für die Elektroden (1 1 ); wobei erste Gegenelektroden (20) und zweite Gegenelektroden (21 ) auf je- weils einer Trägerplatte (30, 31 ) angeordnet werden; wobei

die Elektroden (1 1 ) zusammen mit den Gegenelektroden (20, 21 ) in einer Sen- sierebene der mikromechanischen Struktur (100) ineinander verschachtelt angeordnet werden; und

- wobei die seismische Masse (10) und die Trägerplatten (30, 31 ) mittels jeweils eines Anbindungselements (12, 40, 41 ) in einem Zentralbereich an das Substrat (1 ) angebunden werden.

1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei die seismische Masse (10) mittels zweier Anbindungselemente (12) an das Substrat (1 ) angebunden wird, wobei die Anbindungselemente (40, 41 ) für die Trägerplatten (30, 31 ) gemeinsam mit den Anbindungselementen (12) im Zentralbereich des Substrats (1 ) angeordnet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei auf jeder Trägerplatte (30, 31 ) ein Ver- Stärkungselement (80, 81 ) zum Verstärken der Trägerplatte (30, 31 ) ausgebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in der seismischen

Masse (10) zwei symmetrisch angeordnete Federelemente (13) ausgebildet werden, wobei in jedem Federelement (13) vier voneinander beabstandete

Anschlagselemente (60, 61 ausgebildet werden, wo zwei erste Anschlagselemente (60) definiert weiter voneinander beabstandet angeordnet werden als zwei zweite Anschlagselemente (61 ).

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei außerhalb der seismischen Masse (10)

für jeden Eckbereich der seismischen Masse (10) jeweils zwei um neunzig

Grad gegeneinander versetzt angeordnete dritte Anschlagselemente (60) ausgebildet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei ein Bereich (10a) der

seismischen Masse (10) zum Zuführen von jeweils einem elektrischen Potential (P1 , P2) an jeweils eine Gruppe der Gegenelektroden (20, 21 ) und zum Zuführen eines elektrischen Potenzials (PM) an die seismische Masse (10) perforiert ausgebildet wird.