WO2017194376A1 - Mikromechanischer sensor und verfahren zum herstellen eines mikromechanischen sensors - Google Patents

Mikromechanischer sensor und verfahren zum herstellen eines mikromechanischen sensors Download PDF

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WO2017194376A1
WO2017194376A1 PCT/EP2017/060604 EP2017060604W WO2017194376A1 WO 2017194376 A1 WO2017194376 A1 WO 2017194376A1 EP 2017060604 W EP2017060604 W EP 2017060604W WO 2017194376 A1 WO2017194376 A1 WO 2017194376A1
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sensor
lateral
electrode
micromechanical
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PCT/EP2017/060604
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Johannes Classen
Denis Gugel
Guenther-Nino-Carlo Ullrich
Markus LINCK-LESCANNE
Antoine PUYGRANIER
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0834—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass constituting a pendulum having the pivot axis disposed symmetrically between the longitudinal ends, the center of mass being shifted away from the plane of the pendulum which includes the pivot axis

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical sensor.
  • the invention further relates to a method for producing a micromechanical sensor.
  • acceleration sensors are formed as separate cores for the three Cartesian detection directions x, y and z.
  • the x and y channels are typically mass-spring structures, which undergo a linear movement in the plane due to in-plane acceleration.
  • Z-channel acceleration sensors are typically spring-mass structures that experience rotational movement about an axis of rotation defined by torsional springs due to out-of-plane acceleration.
  • An alternative to chip area saving is to design a core that can detect all three directions of acceleration with a single seismic mass.
  • Such structures are known, for example, from DE 10 2008 001 442 A1 and from DE 10 2012 200 740 A1.
  • a single-mass oscillator is proposed with only two spring elements, which are claimed depending on the direction of the acceleration vector on bending or rotation in certain directions or about certain axes.
  • suitable electrode arrangement thus a detection of all three directions of acceleration with a single movable mass is possible.
  • the structures shown are relatively sensitive to mechanical or thermo-mechanical stress, as suspension points of the electrodes experience a slightly different shift in substrate strain or curvature than they do Suspension point of the mass. This can lead to false signals, in particular to unwanted offset signals.
  • Electrode cells are achieved in that cantilevered solid electrodes with a fully differential arrangement can be realized via a second free-settable micromechanical functional layer.
  • the second micromechanical functional layer is arranged below the first micromechanical functional layer and is typically, but not necessarily, thinner than the latter.
  • the wide-spreading support arms for x- and y-detection as well as the arrangement of the x- and y-electrode anchors, which are not in line with the suspension of the mass, also make this arrangement sensitive to certain substrate deformations and material intrinsic changes thermomechanical properties of the two micromechanical layers remain.
  • the bottom micromechanical layer may transfer due to different manufacturing conditions (e.g., other doping, different crystal structure, etc.)
  • micromechanical sensor which is improved over the above-mentioned concepts.
  • the object is achieved according to a first aspect with a micromechanical sensor, comprising: a substrate;
  • a movable mass element sensitive in three spatial directions; two x-lateral electrodes for detecting lateral x-deflection of the movable mass member;
  • each lateral electrode is secured to the substrate by means of a fastener
  • the fastening elements of all electrodes are formed close to an attachment element of the movable mass element to the substrate. Due to this specific design of the detection elements, the micromechanical sensor is advantageously less sensitive to bending of the substrate. A Sensier characterizing or an offset performance of the micromechanical sensor is advantageously improved in this way. According to a second aspect, the object is achieved with a method for
  • Producing a micromechanical sensor comprising the steps:
  • a further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that line elements for the electrodes are formed in a first and second functional layer of the sensor. In this way, a production of the micromechanical sensor can be carried out according to proven principles of surface micromechanics.
  • a further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that detection fingers and backs of the electrodes of the lateral electrodes are formed in a third functional layer of the sensor. This also supports easy manufacturability of the sensor with proven surface micromechanical processes.
  • Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and designs regarding the micromechanical sensor are analogous
  • Fig. 1 is a movable mass element of a conventional
  • micromechanical z-acceleration sensor
  • FIG. 2 shows a plan view of an embodiment of a micromechanical sensor according to the invention
  • 3 is a plan view of a lowermost layer of an embodiment of the micromechanical sensor according to the invention.
  • 4 shows a plan view of an embodiment of the micromechanical sensor according to the invention with a further functional layer;
  • Fig. 6 is a sectional view taken along a section A-A of Fig. 2;
  • Fig. 7 is a sectional view taken along a section B-B of Fig. 2;
  • Fig. 8 is a sectional view taken along a section C-C of Fig. 2;
  • Fig. 9 is a sectional view taken along a section D-D of Fig. 2; 10 is a plan view of an alternative embodiment of the invention
  • Fig. 1 1 is a plan view of a further alternative embodiment of the micromechanical sensor; and 12 shows a basic sequence of a method for producing a micromechanical sensor according to the invention.
  • a basic idea of the present invention consists in designing or arranging suspension or attachment structures for all electrodes of a micromechanical acceleration sensor as close to the center as possible. In this way, substrate bends go as low as possible into a sensing characteristic of the sensor, whereby an offset performance of the sensor can be significantly improved. All electrodes of the sensor are designed according to the fully differential principle known per se, in which capacitance changes due to the displaced movable seismic mass are detected and evaluated.
  • Fixed electrodes for both the x-axis and the y-axis for each polarity provided at least two suspensions. This can create better symmetry conditions between electrode and mass suspension and better compensate for certain substrate deformations.
  • the support arms or the electrode backs of the fixed electrodes are made short in relation to a total length, so that any deformations occurring in the anchoring area or in the micromechanical layers themselves to a much lesser extent than in the prior art to a change in the distances between the movable and fixed electrodes penetrate. Overall, this results in a significantly improved offset performance of the
  • Fig. 1 shows in a perspective view of a movable seismic mass element 10 in the form of a rocker, which by means of a central
  • Attachment element 13 is attached to a substrate 1 or connected to this.
  • a seismic mass of the left rocker arm is greater than a mass of the right Wppenarms and realized in this way a Mass asymmetry of the movable mass element 10.
  • On Anitatis- element 13 is arranged in the y-direction oriented spring 11. Outside of the spring 11, the mass element 10 is arranged in the form of a frame with asymmetrically distributed mass.
  • On both sides next to the spring 11 are detection fingers 12 for the detection of lateral acceleration in x- and y-
  • a micromechanical functional layer (not shown) arranged below is used for detection of the out-of-plane channel z.
  • FIG. 2 shows a plan view of an embodiment of the micromechanical sensor 200 according to the invention. Four sectional lines A-A, B-B, C are visible.
  • x-electrode fastening elements 40, 50 and y-electrode fastening elements 60, 70 are arranged on the central connecting element 13 for the movable mass element 10.
  • y-electrode fastening elements 60, 70 are arranged on the central connecting element 13 for the movable mass element 10.
  • Fastening elements 40, 50 arranged close to the central connection element 13 for the movable mass element 10. Furthermore, the two z electrodes 33, 34 ("out-of-plane electrodes") are also arranged close to the central connecting element 13. As a result, all the electrodes are connected to the substrate 1 centrally close to the connecting element 13, which advantageously results in a compact design of the micromechanical sensor 200 is realized.
  • Fig. 3 shows guides of line elements 80 ... 130 for a realization of electrical connections of said electrodes. All the mentioned line elements 80... 130 are in a first or lowermost micromechanical
  • the line elements 80, 90 and 100, 1 10 for the lateral x-electrodes and for the lateral y-electrodes are each formed twice.
  • the line elements 80, 90 have suitable electrical potentials, so that a movement of the detection fingers 12 between lateral x-electrode fingers is detectable.
  • the line elements 100, 110 have suitable electrical potentials, so that a movement of the detection fingers 12 between lateral y-electrode fingers can be detected.
  • the line elements 120, 130 have suitable electrical potentials for detecting a deflection of the seismic mass element 10 in the z direction.
  • FIG. 4 shows the structure of the micromechanical sensor 200 with an additional micromechanical functional layer in the region of the line elements 80, 90, 100, 110, 120, 130. It can be seen that the line elements 80, 90, 110 are L-shaped close to the central connection element 13, so that in this way an electrical connection of the lateral x and y electrodes is realized.
  • the said L-shaped elements are formed in a second micromechanical functional layer (preferably made of poly-silicon) of the micromechanical sensor 200, which is arranged on the lowermost functional layer.
  • FIG. 5 shows a perspective view of an embodiment of the proposed micromechanical sensor 200 with all micromechanical functional layers.
  • Connecting element 13 are arranged diagonally offset from one another. Further, y-electrode fingers 31, 32 are provided for the detection of the lateral y-deflection, each with a movable detection finger 12 of the
  • Mass element 10 cooperate.
  • the lateral electrodes 20, 21, 22 and 30, 31, 32 are arranged offset with respect to the central connecting element 13 diagonally offset from one another.
  • Direction two y-electrode back 30 are provided with y-electrode fingers 31, 32 formed thereon, wherein in each case two y-electrode fingers 31, 32 each interact with a movable detection finger 12.
  • the y-electrode structure can be applied by means of the line elements 100, 1 10 suitable in terms of potential, as well as the x-electrode structure by means of Conduction elements 80, 90.
  • the electrode back 20, 30 may have the same or different electrical potentials.
  • a dimension of the electrode backs 20, 30 is approximately one third of the half length of the micromechanical sensor 200.
  • the two z-electrodes 33, 34 are arranged between each two lateral electrodes, so that in this way a compact detection structure for the micromechanical sensor 200 is implemented.
  • FIG. 6 is a sectional view of the proposed micromechanical sensor 200 of FIG. 2 along section A-A.
  • FIG. It can be seen that the z-electrodes 33, 34 with line elements 130, 120 are connected to the lowest micromechanical functional layer of the sensor 200. Visible here is the fully differential design of the z-electrodes 33, 34, below the z-electrode 33, a line member 120 is formed with the electrical potential of the z-electrode 34. Between the z-electrodes 33, 34 and the line elements 120, 130 a detection finger 12 of the movable mass element 10 is arranged in each case.
  • Fig. 7 shows a sectional view through the proposed sensor 200 of Fig. 2 along the section B-B.
  • the line elements 80, 90, 100, 110 can be seen in the lowermost functional layer for electrical connection of the lateral x and y electrodes. It can also be seen that the z-electrodes 33, 34 as well as the lateral electrode backs 20, 30 are arranged together with the L-shaped fastening elements 40, 50, 60 and 70 close to the central connecting element 13 and the spring 11.
  • Fig. 8 shows a sectional view through the proposed structure of Fig. 2 along the section line C-C.
  • FIG. 9 A sectional view of the micromechanical sensor 200 along the section line DD is shown in FIG. 9.
  • the detection fingers 12 of the movable mass element 10 can be seen
  • the line elements 120, 130 in the second micromechanical functional layer of the sensor 200 wherein the line member 130 is provided for electrical connection of the z-electrode 33 and the line member 120 for electrical connection of the z-electrode 34th
  • FIG. 10 shows a top view of a first alternative of the proposed micromechanical sensor 200.
  • the x-electrode backs 20 are not arranged diagonally but opposite to the central connecting element 13, as are the y-electrode backs 30 Arrangements of Figures 5 to 9 no difference, in which case, however, one of the electrode back 30 has the electrical potential of the line element 100 and the other electrode back 30, the electrical potential of the line element 1 10.
  • the two electrode backs 20 both have the same electrical potential of the line member 90 ,
  • FIG. 11 shows a plan view of a second alternative of the micromechanical sensor 200 according to the invention.
  • the two L-shaped fastening elements 50 of the lateral x-electrodes are acted on by the electrical potential of the line elements 80 and the two L-shaped fastening elements 40 of the lateral ones x electrodes with the electric
  • the fastening elements 60 of the two lateral y-electrodes are subjected to the electrical potential of the line elements 100 and the fastening elements 70 of the two lateral y electrodes to the electrical potential of the line elements 10.
  • FIG. 12 shows a basic sequence of the proposed method:
  • a substrate 1 is provided.
  • a movable mass element 10 which is sensitive in three spatial directions x, y, z is provided.
  • a step 320 two x-lateral electrodes 20, 21, 22 are formed.
  • a step 330 two y-lateral electrodes 30, 31, 32 are formed.
  • a step 340 two z-electrodes are formed.
  • a step 350 all the electrodes 20, 21, 22, 30, 31, 32, 33, 34 are fastened to the substrate 1 close to a connection element 13 of the movable mass element 10.
  • the present invention proposes a micromechanical sensor which can be produced by means of a surface micromechanical process and which advantageously realizes an optimized sensing behavior by arranging all detection-relevant elements as closely as possible to a mass suspension.
  • the substrate can arch as uniform as possible as the movable mass element.
  • an acceleration sensor is provided as Einmasseschwinger for which the detection of x, y, and z accelerations in a single core is enabled and at the same time an excellent robustness against Substratverbiegungen, so a good offset performance in PCB assembly and thermomechanical Has stress in the sensor housing.

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Abstract

Mikromechanischer Sensor (200), aufweisend: - ein Substrat (1); - ein in drei Raumrichtungen (x, y, z) sensitives, bewegliches Massenelement (10); - zwei x-Lateralelektroden (20, 21, 22) zum Erfassen von lateraler x-Auslenkung des beweglichen Massenelements (10); - zwei y-Lateralelektroden (30, 31, 32) zum Erfassen von lateraler y-Auslenkung des beweglichen Massenelements (10); - z-Elektroden (33, 34) zum Erfassen einer z-Auslenkung des beweglichen Massenelements (10); wobei - jede Lateralelektrode (20, 21, 22, 30, 31, 32) mittels eines Befestigungselements (40, 50, 60, 70) am Substrat (1) befestigt ist; wobei - die Befestigungselemente (40, 50, 60, 70, 120, 130) aller Elektroden (20, 21, 22, 30, 31, 32, 33, 34) nahe an einem Anbindungselement (13) des beweglichen Massenelements (10) zum Substrat (1) ausgebildet sind.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanischer Sensor und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors.
Stand der Technik
Üblicherweise werden Beschleunigungssensoren als jeweils separate Kerne für die drei kartesischen Detektionsrichtungen x, y und z ausgebildet. Der x- und der y-Kanal sind dabei typischerweise Masse-Feder-Strukturen, die aufgrund einer Beschleunigung in der Ebene (engl, in-plane) eine lineare Bewegung in der Ebene erfahren. z-Kanal-Beschleunigungssensoren sind typischerweise Feder- Masse-Strukturen, die aufgrund einer aus der Ebene gerichteten Beschleunigung (engl, out-of-plane) eine rotatorische Bewegung um eine durch Torsionsfedern definierte Drehachse erfahren. Eine Alternative zur Einsparung von Chipfläche ist die Ausführung eines Kerns, der alle drei Beschleunigungsrichtungen mit einer einzigen seismischen Masse detektieren kann.
Derartige Strukturen, oftmals als Einmasse-Schwinger bezeichnet, sind zum Beispiel aus DE 10 2008 001 442 A1 sowie aus DE 10 2012 200 740 A1 bekannt. Darin wird ein Einmasse-Schwinger mit lediglich zwei Federelementen vorgeschlagen, die je nach Richtung des Beschleunigungsvektors auf Biegung oder Rotation in bestimmte Richtungen bzw. um bestimmte Achsen beansprucht werden. Durch geeignete Elektrodenanordnung wird damit eine Detektion aller drei Beschleunigungsrichtungen mit einer einzigen beweglichen Masse möglich. Die gezeigten Strukturen sind relativ empfindlich auf mechanischen oder thermo- mechanischen Stress, da Aufhängepunkte der Elektroden eine etwas andere Verschiebung bei einer Substratdehnung oder -krümmung erfahren als ein Aufhängepunkt der Masse. Dies kann zu Fehlsignalen führen, insbesondere zu unerwünschten Offsetsignalen.
In DE 10 2012 200 740 A1 wird eine möglichst zentrale Aufhängung der Festelektroden als vorteilhaft herausgestellt, da damit ein Einfluss von
Substratverbiegungen, die zum Beispiel bei Leiterplattenmontage entstehen, reduziert werden kann. Die offenbarten Sensoren zeigen eine nur unzureichende Offset-Performance bei der Leiterplattenmontage oder auch nach der Montage bei Temperaturänderungen. Das Problem der nicht-differentiellen
Elektrodenzellen wird dadurch gelöst, dass über eine zweite freistellbare mikromechanische Funktionsschicht freitragende Festelektroden mit voll- differentieller Anordnung realisiert werden können.
Dabei ist die zweite mikromechanische Funktionsschicht unterhalb der ersten mikromechanischen Funktionsschicht angeordnet und typischerweise, aber nicht notwendigerweise, dünner als diese ausgebildet. Die weit ausladenden Trägerarme für die x- und y-Detektion sowie die Anordnung der x- und y-Elektroden- verankerungen, die nicht auf einer Linie mit der Aufhängung der Masse liegen, lassen auch diese Anordnung empfindlich auf bestimmte Substratverformungen und auf materialintrinsische Änderungen der thermomechanische Eigenschaften der beiden mikromechanischen Schichten verbleiben. Beispielsweise kann sich die untere mikromechanische Schicht aufgrund unterschiedlicher Herstellbedingungen (z.B. andere Dotierung, andere Kristallstruktur, usw.) über
Temperatur geringfügig anders ausdehnen als die obere mikromechanische Schicht. Dies kann bei Temperaturänderungen zu unerwünschten
Relativverschiebungen zwischen festen und beweglichen Elektrodenfingern und somit zu Offsetsignalen führen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gegenüber den oben genannten Konzepten verbesserten mikromechanischen Sensor bereit zu stellen. Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend: ein Substrat;
ein in drei Raumrichtungen sensitives, bewegliches Massenelement; zwei x-Lateralelektroden zum Erfassen von lateraler x-Auslenkung des beweglichen Massenelements;
- zwei y-Lateralelektroden zum Erfassen von lateraler y-Auslenkung des beweglichen Massenelements;
z-Elektroden zum Erfassen einer z-Auslenkung des beweglichen Massenelements; wobei
jede Lateralelektrode mittels eines Befestigungselements am Substrat befestigt ist; wobei
die Befestigungselemente aller Elektroden nahe an einem Anbindungs- element des beweglichen Massenelements zum Substrat ausgebildet sind. Aufgrund dieser spezifischen Ausbildung der Detektionselemente ist der mikromechanische Sensor vorteilhaft weniger empfindlich auf Verbiegungen des Substrats. Eine Sensiercharakteristik bzw. eine Offset-Performance des mikromechanischen Sensors ist auf diese Weise vorteilhaft verbessert. Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum
Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats;
Bereitstellen eines beweglichen, in drei Raumrichtungen sensitiven beweglichen Massenelements;
- Ausbilden von zwei x-Lateralelektroden;
- Ausbilden von zwei y-Lateralelektroden;
- Ausbilden von zwei z-Elektroden; und
Befestigen sämtlicher Elektroden nahe an einem Anbindungselement des beweglichen Massenelements zum Substrat.
Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Sensors sind
Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass Elektrodenrücken der Lateralelektroden in Relation zu einer
Längsabmessung des Sensors kurz ausgebildet sind. Auf diese Weise werden Trägerarme der Detektionsfinger der Lateralelektroden kurz ausgebildet, wodurch im Ergebnis eine Unempfindlichkeit des gesamten Sensors gegenüber Substratverbiegungen unterstützt ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors sieht vor, dass Längen der Elektrodenrücken ungefähr ein Drittel einer halben
Längsabmessung des Sensors betragen. Auf diese Weise wird ein günstiges Größenverhältnis für die Elektrodenrücken in Relation zur Gesamtabmessung des Sensors realisiert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass Leitungselemente für die Elektroden in einer ersten und zweiten Funktionsschicht des Sensors ausgebildet sind. Auf diese Weise kann eine Herstellung des mikromechanischen Sensors nach bewährten Prinzipien der Oberflächenmikromechanik durchgeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass Detektionsfinger und Elektrodenrücken der Lateralelektroden in einer dritten Funktionsschicht des Sensors ausgebildet sind. Auch dadurch ist eine einfache Herstellbarkeit des Sensors mit bewährten oberflächenmikromechanischen Prozessen unterstützt.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merk- male, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendiger- weise maßstabsgetreu.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Sensor in analoger Weise aus
entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 ein bewegliches Massenelement eines herkömmlichen
mikromechanischen z-Beschleunigungssensors;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen mikromechanischen Sensors;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine unterste Schicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors; Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit einer weiteren Funktionsschicht;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors;
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang eines Schnittes A-A von Fig. 2;
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang eines Schnittes B-B von Fig. 2;
Fig. 8 eine Schnittansicht entlang eines Schnittes C-C von Fig. 2;
Fig. 9 eine Schnittansicht entlang eines Schnittes D-D von Fig. 2; Fig. 10 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des
mikromechanischen Sensors;
Fig. 1 1 eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform des mikromechanischen Sensors; und Fig. 12 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, Aufhängungs- bzw. Befestigungsstrukturen für sämtliche Elektroden eines mikromechanischen Beschleunigungssensors möglichst zentrumsnah auszubilden bzw. anzuordnen. Auf diese Weise gehen Substratverbiegungen möglichst gering in eine Sensier- Charakteristik des Sensors ein, wodurch eine Offsetperformance des Sensors bedeutsam verbessert sein kann. Alle Elektroden des Sensors sind nach dem an sich bekannten volldifferentiellen Prinzip ausgebildet, bei dem Kapazitätsänderungen aufgrund der verlagerten beweglichen seismischen Masse erfasst und ausgewertet werden.
Vorgeschlagen wird eine Kombination einer geeigneten Feder-Masse-Struktur, die für Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen sensitiv ist, mit einer speziellen volldifferentiellen Anordnung der Elektroden sowohl für x-, y- und z- Detektion. Dabei sind für die Aufhängung und Anordnung der lateralen
Festelektroden sowohl für die x-Achse als auch für die y-Achse für jede Polarität mindestens zwei Aufhängungen vorgesehen. Dadurch lassen sich bessere Symmetriebedingungen zwischen Elektroden- und Massenaufhängung schaffen und bestimmte Substratdeformationen besser kompensieren. Zudem sind die Trägerarme bzw. die Elektrodenrücken der Festelektroden in Relation zu einer Gesamtlänge kurz ausgestaltet, so dass etwaige im Verankerungsbereich oder in den mikromechanischen Schichten selbst entstehende Deformationen in wesentlich geringerem Maße als im Stand der Technik auf eine Änderung der Abstände zwischen beweglichen und festen Elektroden durchschlagen. Daraus resultiert insgesamt eine deutlich verbesserte Offsetperformance des
Beschleunigungssensors.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein bewegliches seismisches Massenelement 10 in Form einer Wippe, das mittels eines zentralen
Anbindungselements 13 mit einem Substrat 1 befestigt bzw. an dieses angebunden ist. Eine seismische Masse des linken Wippenarms ist größer als eine Masse des rechten Wppenarms und realisiert auf diese Weise eine Massenasymmetrie des beweglichen Massenelements 10. Am Anbindungs- element 13 angeordnet ist eine in y-Richtung orientierte Feder 11. Außen an der Feder 11 ist das Massenelement 10 in Form eines Rahmens mit asymmetrisch verteilter Masse angeordnet. Beidseitig neben der Feder 11 befinden sich Detektionsfinger 12 für die Detektion von lateraler Beschleunigung in x- und y-
Richtung. Eine unterhalb angeordnete mikromechanische Funktionsschicht (nicht dargestellt) wird für eine Detektion des out-of-plane-Kanals z verwendet.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors 200. Erkennbar sind vier Schnittlinien A-A, B-B, C-
C, und D-D, die in weiteren Figuren näher erläutert werden. Man erkennt, dass x- Elektroden-Befestigungselemente 40, 50 und y-Elektroden-Befestigungs- elemente 60, 70 am zentralen Anbindungselement 13 für das bewegliche Massenelement 10 angeordnet sind. Somit sind für die lateralen x- und y- Elektroden („in-plane-Elektroden") jeweils zwei voneinander separierte
Befestigungselemente 40, 50 nahe am zentralen Anbindungselement 13 für das bewegliche Massenelement 10 angeordnet. Ferner sind auch die beiden z- Elektroden 33, 34 („out-of-plane-Elektroden") nahe am zentralen Anbindungselement 13 angeordnet. In Ergebnis sind somit alle Elektroden zentralnah am Anbindungselement 13 mit dem Substrat 1 verbunden, wodurch vorteilhaft eine kompakte Bauweise des mikromechanischen Sensors 200 realisiert ist.
Fig. 3 zeigt Führungen von Leitungselementen 80... 130 für eine Realisierung von elektrischen Anbindungen der genannten Elektroden. Alle genannten Leitungs- elemente 80... 130 sind in einer ersten bzw. untersten mikromechanischen
(vorzugsweise aus Poly-Silizium ausgebildeten) Funktionsschicht des mikromechanischen Sensors 200 ausgebildet. Die Leitungselemente 80, 90 bzw. 100, 1 10 für die lateralen x-Elektroden und für die lateralen y- Elektroden sind dabei jeweils zweifach ausgebildet.
Die Leitungselemente 80, 90 weisen geeignete elektrische Potentiale auf, sodass eine Bewegung der Detektionsfinger 12 zwischen lateralen x-Elektrodenfingern detektierbar ist. Die Leitungselemente 100, 110 weisen geeignete elektrische Potentiale auf, sodass eine Bewegung der Detektionsfinger 12 zwischen lateralen y-Elektrodenfingern detektierbar ist. Die Leitungselemente 120, 130 weisen geeignete elektrische Potentiale zum Detektieren einer Auslenkung des seismischen Massenelements 10 in z-Richtung auf.
Fig. 4 zeigt die Struktur des mikromechanischen Sensors 200 mit einer im Bereich der Leitungselemente 80, 90, 100, 110, 120, 130 zusätzlichen mikromechanischen Funktionsschicht. Man erkennt, dass die Leitungselemente 80, 90, 110 nahe am zentralen Anbindungselement 13 L-förmig ausgebildet sind, sodass auf diese Weise eine elektrische Anbindung der lateralen x- und y- Elektroden realisiert wird. Die genannten L-förmigen Elemente sind in einer zweiten mikromechanischen Funktionsschicht (vorzugsweise aus Poly-Silizium ausgebildeten) des mikromechanischen Sensors 200 ausgebildet, die auf der untersten Funktionsschicht angeordnet ist.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 200 mit sämtlichen mikromechanischen Funktionsschichten. Man erkennt für die Detektion einer
Beschleunigung in x-Richtung x-Elektrodenfinger 21 , 22, die mit jeweils einem beweglichen Detektionsfinger 12 des Massenelements 10 zusammenwirken. Erkennbar ist, dass zwei derartige Strukturen bezogen auf das zentrale
Anbindungselement 13 diagonal gegeneinander versetzt angeordnet sind. Ferner sind für die Detektion der lateralen y-Auslenkung y-Elektrodenfinger 31 , 32 vorgesehen, die mit jeweils einem beweglichen Detektionsfinger 12 des
Massenelements 10 zusammenwirken. Die lateralen Elektroden 20, 21 , 22 bzw. 30, 31 , 32 sind in Bezug auf das zentrale Anbindungselement 13 diagonal gegeneinander versetzt angeordnet.
Man erkennt zwei x-Elektrodenrücken 20, an denen die x- Elektrodenfinger 21 , 22 angeordnet sind, wobei zwischen jeweils zwei x-Elektrodenfingern 21 , 22 ein Detektionsfinger 12 des beweglichen Massenelements 10 angeordnet ist. Für eine Detektion einer Auslenkung des beweglichen Massenelements 10 in y-
Richtung sind zwei y-Elektrodenrücken 30 mit daran ausgebildeten y- Elektrodenfingern 31 , 32 vorgesehen, wobei jeweils zwei y-Elektrodenfinger 31 , 32 mit jeweils einem beweglichen Detektionsfinger 12 interagieren. Die y- Elektrodenstruktur kann mittels der Leitungselemente 100, 1 10 potentialmäßig geeignet beaufschlagt werden, ebenso wie die x-Elektrodenstruktur mittels der Leitungselemente 80, 90. Dabei können je nach Anwendungsfall die Elektrodenrücken 20, 30 gleiche oder unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen.
Eine Abmessung der Elektrodenrücken 20, 30 beträgt ungefähr ein Drittel der halben Länge des mikromechanischen Sensors 200. Die beiden z-Elektroden 33, 34 sind zwischen jeweils zwei lateralen Elektroden angeordnet, sodass auf diese Weise eine kompakte Detektionsstruktur für den mikromechanischen Sensor 200 umgesetzt ist.
Fig. 6 ist eine Darstellung einer Schnittansicht durch den vorgeschlagenen mikromechanischen Sensor 200 von Fig. 2 entlang des Schnittes A-A. Man erkennt, dass die z-Elektroden 33, 34 mit Leitungselementen 130, 120 an die unterste mikromechanische Funktionsschicht des Sensors 200 angebunden sind. Erkennbar ist auch hier die volldifferentielle Ausbildung der z-Elektroden 33, 34, wobei unterhalb der z-Elektrode 33 ein Leitungselement 120 mit dem elektrischen Potential der z-Elektrode 34 ausgebildet ist. Zwischen den z-Elektroden 33, 34 und den Leitungselementen 120, 130 ist jeweils ein Detektionsfinger 12 des beweglichen Massenelements 10 angeordnet.
Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht durch den vorgeschlagenen Sensor 200 von Fig. 2 entlang des Schnittes B-B. Man erkennt die Leitungselemente 80, 90, 100, 110 in der untersten Funktionsschicht zur elektrischen Anbindung der lateralen x- und y-Elektroden. Erkennbar ist ferner, dass die z-Elektroden 33, 34 ebenso wie die lateralen Elektrodenrücken 20, 30 zusammen mit den L-förmigen Befestigungselementen 40, 50, 60 und 70 nahe am zentralen Anbindungselement 13 bzw. der Feder 11 angeordnet sind.
Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht durch die vorgeschlagene Struktur von Fig. 2 entlang der Schnittlinie C-C. Man erkennt die x-Elektrodenfinger 21 , 22 der lateralen x-Elektrode und die y-Elektrodenfinger 31 , 32 der lateralen y-Elektrode, die jeweils auf einem L-förmigen Befestigungselement 50 bzw. 70, die in der zweiten Funktionsschicht ausgebildet sind, angeordnet sind.
Eine Schnittansicht des mikromechanischen Sensors 200 entlang der Schnittlinie D-D ist in Fig. 9 dargestellt. Zusätzlich zu den Elementen von Fig. 8 erkennt man die Detektionsfinger 12 des beweglichen Massenelements 10. Erkennbar sind hier auch die Leitungselemente 120, 130 in der zweiten mikromechanischen Funktionsschicht des Sensors 200, wobei das Leitungselement 130 zur elektrischen Anbindung der z-Elektrode 33 vorgesehen ist und das Leitungselement 120 zur elektrischen Anbindung der z-Elektrode 34.
Fig. 10 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Alternative des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 200. In diesem Fall sind die x-Elektrodenrücken 20 bezogen auf das zentrale Anbindungselement 13 nicht diagonal, sondern gegenüberliegend angeordnet, ebenso wie die y-Elektrodenrücken 30. Strukturell besteht gegenüber den Anordnungen der Figuren 5 bis 9 kein Unterschied, wobei hier jedoch einer der Elektrodenrücken 30 das elektrische Potential des Leitungselements 100 aufweist und der andere Elektrodenrücken 30 das elektrische Potential des Leitungselements 1 10. Die beiden Elektrodenrücken 20 weisen beide das gleiche elektrische Potential des Leitungselements 90 auf.
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Alternative des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors 200. In diesem Fall sind die beiden L-förmigen Befestigungselemente 50 der lateralen x-Elektroden mit dem elektrischen Potential der Leitungselemente 80 beaufschlagt und die beiden L-förmigen Befestigungselemente 40 der lateralen x-Elektroden mit dem elektrischen
Potential der Leitungselemente 90. Die Befestigungselemente 60 der beiden lateralen y-Elektroden sind mit dem elektrischen Potential der Leitungselemente 100 beaufschlagt und die Befestigungselemente 70 der beiden lateralen y- Elektroden mit dem elektrischen Potential der Leitungselemente 1 10.
Aus den Varianten von Fig. 10 und 11 erkennt man, dass vorteilhaft auf einfache Weise eine Beaufschlagung der Elektrodenrücken 20, 30 mit geeigneten elektrischen Potentialen der Leitungselemente 80 bis 1 10 realisiert werden kann. Welche der in den Figuren 5, 10, 1 1 dargestellten Elektrodenkonfigurationen eine besonders hohe Unempfindlichkeit gegenüber Substratverbiegungen hat, hängt letztlich von der Art der Substratverbiegung ab, die für verschiedene Einbaulagen des Sensorkerns im Chip und für verschiedene Gehäusevarianten unterschiedlich sein kann. Abhängig von den Randbedingungen des Gehäuses kann daher für ein konkretes Produkt die jeweils optimale Elektrodenkonfiguration gewählt werden. Fig. 12 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens:
In einem Schritt 300 wird ein Substrat 1 bereitgestellt.
In einem Schritt 310 wird ein bewegliches, in drei Raumrichtungen x, y, z sensitives bewegliches Massenelement 10 bereitgestellt.
In einem Schritt 320 werden zwei x-Lateralelektroden 20, 21 , 22 ausgebildet.
In einem Schritt 330 werden zwei y-Lateralelektroden 30, 31 , 32 ausgebildet.
In einem Schritt 340 werden zwei z-Elektroden ausgebildet.
In einem Schritt 350 werden sämtliche Elektroden 20, 21 , 22, 30, 31 , 32, 33, 34 nahe an einem Anbindungselement 13 des beweglichen Massenelements 10 zum Substrat 1 befestigt.
Die Reihenfolge der Schritte kann dabei auch geändert werden.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein mittels oberflächen- mikromechanischen Verfahrens herstellbarer mikromechanischer Sensor vorgeschlagen, der auf vorteilhafte Weise ein optimiertes Sensierverhalten dadurch realisiert, dass alle detektionsrelevanten Elemente möglichst nahe an einer Massenaufhängung angeordnet sind. Auf diese Weise kann sich das Substrat möglichst gleichartig verwölben wie das bewegliche Massenelement. Im Ergebnis ist dadurch vorteilhaft eine Unempfindlichkeit des
Beschleunigungssensors gegenüber Substratverbiegungen erhöht.
Im Ergebnis wird damit ein Beschleunigungssensor als Einmasseschwinger bereitgestellt, für den die Detektion von x-, y-, und z-Beschleunigungen in einem einzigen Kern ermöglicht wird und der zugleich eine ausgezeichnete Robustheit gegenüber Substratverbiegungen, also eine gute Offsetperformance bei der Leiterplattenmontage sowie bei thermomechanischem Stress im Sensorgehäuse aufweist. Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
Mikromechanischer Sensor (200), aufweisend:
ein Substrat (1);
ein in drei Raumrichtungen (x, y, z) sensitives, bewegliches Massenelement (10);
zwei x-Lateralelektroden (20, 21 , 22) zum Erfassen von lateraler x- Auslenkung des beweglichen Massenelements (10);
zwei y-Lateralelektroden (30, 31 , 32) zum Erfassen von lateraler y- Auslenkung des beweglichen Massenelements (10);
z-Elektroden (33, 34) zum Erfassen einer z-Auslenkung des beweglichen Massenelements (10); wobei
- jede Lateralelektrode (20, 21 , 22, 30, 31 , 32) mittels eines Befestigungselements (40, 50, 60, 70) am Substrat (1) befestigt ist; wobei die Befestigungselemente (40, 50, 60, 70, 120, 130) aller Elektroden (20, 21 , 22, 30, 31 , 32, 33, 34) nahe an einem Anbindungselement (13) des beweglichen Massenelements (10) zum Substrat (1) ausgebildet sind.
Mikromechanischer Sensor (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Elektrodenrücken (20, 30) der Lateralelektroden (20, 21 , 22, 30, 31 , 32) in Relation zu einer Längsabmessung des Sensors (200) kurz ausgebildet sind.
Mikromechanischer Sensor (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Längen der Elektrodenrücken (20, 21 , 22, 30, 31 , 32) ungefähr ein Drittel einer halben Längsabmessung des Sensors (200) betragen.
4. Mikromechanischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungselemente (80, 90, 100, 1 10, 120, 130) für die Elektroden (20, 21 , 22, 30, 31 , 32, 33, 34) in einer ersten und zweiten Funktionsschicht des Sensors (200) ausgebildet sind.
Mikromechanischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Detektionsfinger (21 , 22, 31 , 32) und Elektrodenrücken (20, 30) der Lateralelektroden (20, 21 , 22, 30, 31 , 32) in einer dritten Funktionsschicht des Sensors (200) ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (200), aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats (1);
Bereitstellen eines beweglichen, in drei Raumrichtungen (x, y, z) sensitiven beweglichen Massenelements (10);
- Ausbilden von zwei x-Lateralelektroden (20, 21 , 22);
- Ausbilden von zwei y-Lateralelektroden (30, 31 , 32) ;
- Ausbilden von zwei z-Elektroden (33, 34); und
- Befestigen sämtlicher Elektroden (20, 21 , 22, 30, 31 , 32, 33, 34) nahe an einem Anbindungselement (13) des beweglichen Massenelements (10) zum Substrat (1).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei Längen von Elektrodenrücken (20, 30) der Lateralelektroden (20, 21 , 22, 30, 31 , 32) ungefähr ein Drittel so lang wie eine halbe Längsabmessung des Sensors (200) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei Leitungselemente (80, 90, 100, 1 10, 120, 130) für die Elektroden (20, 21 , 22, 30, 31 , 32, 33, 34) in einer ersten und zweiten Funktionsschicht des Sensors (200) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei Detektionsfinger (21 , 22, 31 , 32) und Elektrodenrücken (20, 30) der Lateralelektroden (20, 21 , 22, 30, 31 , 32) in einer dritten Funktionsschicht des Sensors (200) ausgebildet werden.
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