微机械Z惯性传感器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种微机械Z惯性传感器(100)，其具有：‑构造在微机械功能层(20)中的能运动的MEMS结构(21)；‑与能运动的所述MEMS结构(21)连接的扭转弹簧(22)；和‑与所述扭转弹簧(22)连接的弹簧装置(23,24)，其中，所述弹簧装置(23,24)构造成用于限定地阻止所述扭转弹簧(22)正交于所述MEMS结构(21)的敏感方向的偏转。本发明专利技术还涉及一种用于制造微机械Z惯性传感器的方法。

Micro-mechanical Z Inertial Sensor and Its Manufacturing Method

The invention relates to a micro-mechanical Z inertial sensor (100), which has: (1) a movable MEMS structure (21) constructed in a micromechanical functional layer (20); (2) a torsion spring (22) connected with the movable MEMS structure (21); and (2) a spring device (23, 24) connected with the torsion spring (22), wherein the spring device (23, 24) is constructed to restrictively prevent the torsion spring (22). Deflection orthogonal to the sensitive direction of the MEMS structure (21). The invention also relates to a method for manufacturing a micro-mechanical Z inertial sensor.

【技术实现步骤摘要】
微机械Z惯性传感器及其制造方法
本专利技术涉及一种微机械Z惯性传感器。本专利技术还涉及一种用于制造微机械Z形惯性传感器的方法。
技术介绍
具有MEMS结构的微机械Z惯性传感器早已公开。这些微机械Z形惯性传感器可以具有构造在功能层中的双摆臂结构，该双摆臂结构通过扭转弹簧锚固在衬底上。双摆臂结构的质量分布通常非对称地构造，其中，在摆臂下方布置有两个电极面，以便可以电容式地测量双摆臂结构的偏转。然而该布置的缺点是，悬挂在扭转弹簧上的非对称质量不是仅对沿z方向的加速度作出反应。
技术实现思路
本专利技术的任务是，提供一种具有改进的传感行为的微机械Z惯性传感器。根据第一方面，该任务借助微机械Z惯性传感器来解决，该微机械Z惯性传感器具有：-构造在微机械功能层中的可运动的MEMS结构；-与可运动的MEMS结构连接的扭转弹簧；和-与扭转弹簧连接的弹簧装置，其中，弹簧装置构造成用于限定地阻止扭转弹簧正交于MEMS结构的敏感方向的偏转。以该方式，在沿z方向获得扭转弹簧的柔性的同时有利地实现扭转弹簧沿正交于敏感方向的方向(例如沿x方向)的加固。结果，由此支持z惯性传感器的改进的传感行为。根据第二方面，该任务借助用于制造微机械Z惯性传感器的方法来解决，所述方法具有以下步骤：-提供构造在微机械功能层中的可运动的MEMS结构；-提供与可运动的MEMS结构连接的扭转弹簧；和-这样提供与扭转弹簧连接的弹簧装置，使得限定地阻止扭转弹簧正交于MEMS结构的敏感方向的偏转。微机械Z惯性传感器的有利的实施方式是优选扩展方案。微机械Z惯性传感器的一个有利扩展方案的特征在于，弹簧装置的高度约为扭转弹簧的高度的三分之一、更优选约为十分之一。以该方式提供弹簧装置的有利几何尺寸，其中，例如可以借助已知的模拟方法进行合适的设计。该微机械Z惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，弹簧装置固定在衬底上。由此，实现弹簧装置在Z惯性传感器内的稳定布置，其中，在衬底上的附接可以直接进行或借助辅助结构进行。微机械Z惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，弹簧装置至少部分地布置在可运动的MEMS结构下方。以该方式有利地支持Z惯性传感器的紧凑、节约资源和面积的结构。微机械Z惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，弹簧装置构造在构造在衬底与微机械功能层之间的层中。以该方式可以设置将一个层作为弹簧层和作为电极层的多重使用。微机械Z惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，弹簧装置至少部分地构造在微机械功能层的上方。由此，有利地实现弹簧装置的替代构造。微机械Z惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，扭转弹簧的一个端部与基本构造在微机械功能层上方的弹簧装置的一部分连接，而扭转弹簧的另一端部与基本构造在微机械功能层下方的弹簧装置的一部分连接。以该方式可以实现z惯性传感器相对于横向负载的更好脱耦，其中，尤其还能更好地抑制扭转弹簧的翻转运动。微机械Z惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，弹簧装置具有彼此正交地定向的区段。由此，由于大的弹簧长度，尽管可以有利地容易地进行扭转弹簧的偏转，而同时扭转弹簧沿正交于敏感方向(例如x方向)是硬的。此外，借助该变型方案，z惯性传感器的节省空间的实现方案也是可能的。微机械Z惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，弹簧装置的至少一个元件具有加强结构。有利地，由此可以更进一步改进弹簧装置的稳定性和刚度。下面借助其它特征和优点根据多个附图详细描述本专利技术。相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。这些附图尤其被考虑用于阐明对于本专利技术重要的原理而不必尺寸可信地实施。为了更清楚起见可以设置，不在所有附图中画入所有附图标记。公开的方法特征类似地由公开的相应设备特征得到，并且反之。这尤其意味着，涉及用于制造微机械Z惯性传感器的方法的特征、技术优点和实施以类似的方式由涉及微机械Z惯性传感器的相应实施、特征和优点得到，并且反之。附图说明图1传统微机械惯性传感器的横截面视图；图2传统微机械Z惯性传感器的视图；图3所提出的微机械Z惯性传感器的第一实施方式的视图；图4所提出的微机械Z惯性传感器的另一实施方式的俯视图；和图5用于制造所提出的微机械Z惯性传感器的方法的原理流程。具体实施方式本专利技术的核心思想是提供一种“微机械辅助结构”，借助该微机械辅助结构进行加固以阻碍构造有摆臂的z惯性传感器、尤其z加速度传感器的侧向旋转运动和平移运动。在此，借助所提及的、接下来还将详细描述的微机械辅助结构限定地阻止或者说进行加固以阻碍z惯性传感器的振动质量的横向运动。图1示出，在加速度传感器的情况下常常设置有可运动的MEMS结构21，所述MEMS结构从由多晶硅构成的厚的微机械功能层20中被蚀刻出。这些MEMS结构布置在薄的、开有沟槽的多晶硅层12上方，其中，这些多晶硅层本身借助氧化物层11锚固在衬底10上。在两个多晶硅层12,20之间也设置有氧化物层。在此，开有沟槽的多晶硅层12用作电印制导线和/或电极。微机械功能层20通过沟槽工艺(Trenchprozess)和氧化物牺牲层方法(Oxid-Opferschichtverfahren)被空出。开有沟槽的多晶硅层12通过氧化物11与衬底10电分离。印制导线和电极已被这样设计，使得它们在氧化物-牺牲氧化物蚀刻步骤(Oxid-)中没有被完全掏蚀并且以该方式稳定地锚固在衬底10上。这样制造的可运动的MEMS结构21(“振动质量”)常常在进一步的工序中用罩晶片40封装。根据应用而定，在由此封闭的容积50内包含合适的内压力，其中，所述封闭常常通过密封玻璃键合方法或通过共晶键合方法例如借助AlGe(铝化锗)来进行。为了以这种制造工艺制造z加速度传感器，在微机械功能层20中构造双摆臂结构，该双摆臂结构通过扭转弹簧22锚固在衬底10上，如在图2中表明那样。双摆臂结构的质量分布非对称地构造，并且在双摆臂结构下方布置两个电极面，以便能够在测量技术上电容式地检测双摆臂结构的偏转。该布置的缺点可能是，悬挂在扭转弹簧22上的非对称质量不是仅对沿z方向的机械加速度灵敏。如果作用有沿x方向的机械加速度，那么该非对称质量几乎以相同程度也沿x方向偏转。如果存在沿y方向的加速度，那么该非对称质量围绕z旋转轴线扭转。该扭转在绝对加速度相同的情况下也具有类似的数量级。因此可以利用非对称质量的这种悬挂方式，以便借助仅一个可运动的质量制造沿三个方向灵敏的加速度传感器。这种布置的缺点是，这种传感器的精度相对较低。如果想要获得对沿一个方向的加速度的非常准确测量，那么通常构造仅沿一个方向灵敏的传感器。在上面提及的技术中可以沿x和y方向构造可运动的弹簧-质量系统，所述系统沿探测方向悬挂得软而沿与探测方向垂直的方向悬挂得硬。以该方式能够构造高度精确的传感器，这些传感器具有高精度并且也能够不被沿垂直于探测方向的方向的信号影响。借助这种悬挂也可以很好地抑制由沿非测量方向的运动引起的许多其他干扰作用。尤其可以沿测量方向限定地设置用于可运动质量的止挡。从而，可以在过载和粘接倾向方面构造机械上非常稳健的系统。相反，在z传感器中，很难借助一个如上所述仅能用开槽工艺来结构化的厚多晶硅层功能层来构造扭转弹簧，该扭转弹簧一方面在扭转方面是软的，而同时在沿x方向的偏转或沿z方向的转动方面是硬的。图3示出所提出的微机械z惯性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微机械Z惯性传感器(100)，具有：‑构造在微机械功能层(20)中的能运动的MEMS结构(21)；‑与能运动的所述MEMS结构(21)连接的扭转弹簧(22)；和‑与所述扭转弹簧(22)连接的弹簧装置(23,24)，其中，所述弹簧装置(23,24)构造成用于限定地阻止所述扭转弹簧(22)正交于所述MEMS结构(21)的敏感方向地偏转。

【技术特征摘要】
2017.11.09 DE 102017219929.61.微机械Z惯性传感器(100)，具有：-构造在微机械功能层(20)中的能运动的MEMS结构(21)；-与能运动的所述MEMS结构(21)连接的扭转弹簧(22)；和-与所述扭转弹簧(22)连接的弹簧装置(23,24)，其中，所述弹簧装置(23,24)构造成用于限定地阻止所述扭转弹簧(22)正交于所述MEMS结构(21)的敏感方向地偏转。2.根据权利要求1所述的微机械Z惯性传感器(100)，其特征在于，所述弹簧装置(23,24)的高度约为所述扭转弹簧(22)的高度的三分之一、更优选地约为十分之一。3.根据权利要求1或2所述的微机械Z惯性传感器(100)，其特征在于，所述弹簧装置(23,24)固定在衬底(10)上。4.根据上述权利要求中任一项所述的微机械Z惯性传感器(100)，其特征在于，所述弹簧装置(23,24)至少部分地布置在能运动的所述MEMS结构(21)下方。5.根据上述权利要求中任一项所述的微机械Z惯性传感器(100)，其特征在于，所述弹簧装置(23,24)构造在构造于衬底(10)与所述微机械功能层(20)之间的层(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·博森德费尔，J·瓦尔德曼，J·莱茵穆特，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE