微机械惯性传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种微机械惯性传感器(100)，具有：‑固定在衬底上的能运动的震动质量(20a)，该震动质量具有梳状构造的第一电极(20c)；‑固定在所述衬底上的第二电极(20d)，其中，所述电极(20c、20d)这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下所述第一电极(20c)与所述第二电极(20d)沿传感方向的重叠部分(L)限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。

Micromechanical Inertial Sensor

The invention relates to a micromechanical inertial sensor (100), which has: (1) a movable vibration mass (20a) fixed on a substrate with a comb-shaped first electrode (20c); and (2) a second electrode (20d) fixed on the substrate, in which the electrode (20c, 20d) is so constructed that the first electrode (20c) is said without external acceleration. The overlap part (L) of the second electrode (20d) along the sensing direction is limited to be less than about 35% and preferably less than about 25%.

【技术实现步骤摘要】
微机械惯性传感器
本专利技术涉及一种微机械惯性传感器。本专利技术还涉及一种用于制造微机械惯性传感器的方法。
技术介绍
长时间以来已知具有MEMS结构的微机械xy惯性传感器。该微机械xy惯性传感器可以具有构造在功能层中的震动质量，该震动质量通过弹簧锚固在衬底上。质量的偏移通常通过实施为平板电容器的电极测量。所述偏移改变电容器的平板的间距并且测量由此产生的电容变化。
技术实现思路
本专利技术的任务是提供具有改善的传感特性的微机械惯性传感器。根据第一方面，所述任务通过以下微机械惯性传感器解决，该微机械惯性传感器具有：-具有梳状构造的第一电极的、固定在衬底上的、可运动的震动质量；-固定在衬底上的第二电极，其中，所述电极这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下第一电极与第二电极沿传感方向的重叠部分限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。有利地，可以借助于梳状电极结构产生非常均匀的线性电信号。在梳状结构中，每单位偏移量的电容变化通过梳间距限定，并且最大偏移通过梳长度和在基本状态中的梳重叠部分限定。与此不同地，在传统的平板电容器组件中，每单位偏移量的电容变化和最大偏移均通过平板间距限定。有利地，以该方式也可以提供传感器针对衬底扭曲的很大程度上的不敏感性。在平板电容器组件中，通常使用两个差分布置的、相同大小的固定电极。在震动质量偏移时，所述质量相对于第一电极的间距增大的尺寸等于其相对于第二电极减小的尺寸。在静止位置中，震动质量刚好位于两个电极的中间。在所述电极上通常作用有分析处理电压，该分析处理电压将力施加到震动质量上。通过对称布置，两个电极施加到震动质量上的力刚好抵消。由于在具有间距的平板电容器中的力的非线性，通过震动质量的偏移干扰力平衡。自确定的点起，弹簧的复位力不再足够并且震动质量被完全拉到固定电极上。这导致坍塌(Kollaps)，并且在此震动质量剧烈加速并以大的速度撞到固定电极或为此特定设置的停止结构上。与此相对地，在梳状结构中的力有利地与偏移无关。有利地，以该方式也可以提供微机械惯性传感器相对于分析处理电压的很大程度上的不敏感性。此外，以该方式可以有利地防止以高速度碰撞在固定电极上或为此特定设置的停止结构上，该碰撞通过作用的电压引起。在平板电容器组件中，在基本状态中的电容通过平板间距确定。每单位偏移量的电容变化同样通过平板间距确定。在梳状组件中，在基本状态中的电容通过在基本状态中的指间距和指重叠部分确定。根据第二方面，所述任务通过用于制造微机械惯性传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：-提供具有梳状构造的第一电极的、固定在衬底上的可运动的震动质量；-提供固定在衬底上的第二电极，其中，所述电极这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下第一电极与第二电极沿传感方向的重叠部分限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。在下面阐释微机械惯性传感器的优选扩展方案。微机械惯性传感器的有利扩展方案的特征在于，在关于惯性传感器的测量范围而言的最大负加速度的情况下第一电极与第二电极沿传感方向这样重叠，使得第一电极和第二电极的端部区段限定地小地重叠或相对彼此小于第一和第二电极的端部区段之间的间距地间隔开。以该方式，对于整个测量范围能够实现传感器的大的电敏感性。在施加超出传感器的测量范围的负加速度时，电极可以完全“从彼此抽出”。有利地，由此能够实现梳状电极沿反方向的偏移，该偏移比相应于最大测量加速度的偏移更大，由此可以节省芯片面积，并且同时在该梳状结构中也能够在该梳状结构中的基本电容小的情况下实现每单位偏移量的高电容变化。微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，第一和/或第二电极的至少一个区段不平行于传感方向地构造，并且不平行于传感方向构造的区段在机械方面不限制第一和/或第二电极沿传感方向的运动。由此促进，在沿传感方向运动时改变在第一和第二电极之间的间距，由此促进微机械惯性传感器的提高的敏感性。在此，这样实施不平行的布置，使得所述电极在几何方面还可以完全沉入彼此或至少如在基本状态中的重叠那样远地沉入彼此。微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，第二电极的至少一部分这样构造，使得第二电极的宽度沿传感方向在传感区域之后构造成宽度保持不变或以扩宽的方式构造。以该方式促进微机械传感器的高传感敏感性。微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，震动质量通过弹簧元件附接在衬底上，其中，弹簧元件这样构造，使得弹簧刚性沿传感方向限定地软地构造并且正交于传感方向限定地硬地构造。以该方式，可以有利地提供传感器的主要沿传感方向的敏感性，而传感器正交于传感方向是尽可能不敏感的。微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，第一或第二电极的至少一部分在基本状态中的重叠部分的区域中这样构造，使得当电极沿传感方向沉入彼此时所述电极之间的间距在部分区域中减小。以该方式也促进微机械惯性传感器的高传感敏感性。微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，第一或第二电极的至少一部分在基本状态中的重叠部分之外的区域中这样构造，使得当电极沿传感方向沉入彼此时所述电极之间的间距在部分区域中增大。以该方式能够有利地实现，在剧烈偏移时在电极的机械碰撞之前减小电动力。微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，设有停止器元件，其中，借助于停止器元件可以限界第二电极到第一电极中的沉入深度。以该方式有利地促进，电极不彼此碰撞，而是在快要碰撞时停止。以该方式有利地促进惯性传感器的改善的传感特性和提升的运行寿命。止挡结构可以有利地具有电势，该电势与可运动的梳状结构的电势一致，以便防止短路和结构在止挡中的保持。附图说明下面参照多个附图通过其他特征和优点详细描述本专利技术。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其考虑用于阐释对本专利技术重要的原理并且不必按正确比例实施。出于更好的概要性可以设置为，没有在所有附图中标注所有的附图标记。公开的方法特征类似地由相应公开的装置特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于用于制造微机械惯性传感器的方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由关于微机械惯性传感器的相应实施方案、特征和优点得出，反之亦然。在附图中示出：图1传统的微机械惯性传感器的横截面视图；图2传统的微机械惯性传感器的俯视图；图3所提出的微机械惯性传感器的第一实施方式的俯视图；图4所提出的微机械惯性传感器的实施方式的电极组件的俯视图；图5所提出的微机械惯性传感器的另一实施方式的电极组件的俯视图；图6所提出的微机械惯性传感器的另一实施方式的电极组件的俯视图；和图7用于制造所提出的微机械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具有改善的传感特性的微机械惯性传感器。图1示出传统的微机械惯性传感器100的强烈简化的横截面视图。可看出可运动的MEMS结构或震动质量20a，该震动质量从由多晶硅制成的、厚的微机械第二功能层20中蚀刻出。该振动质量布置在由多晶硅制成的、薄的、埋入的第一功能层12上方，其中，该第一功能层本身通过氧化物层11锚固在衬底10上。在两个功能层12、20之间也设置有氧化物层。在此，由多晶硅制成的、埋入的第一功能层12用作为电印制导线和/或电极。第二微机械功能层20通过沟槽过程和氧化物牺牲层方法露出。埋入的第一功能层12通过氧化物11本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微机械惯性传感器(100)，具有：‑固定在衬底上的能运动的震动质量(20a)，该震动质量具有梳状构造的第一电极(20c)；‑固定在所述衬底上的第二电极(20d)，其中，所述电极(20c、20d)这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下所述第一电极(20c)与所述第二电极(20d)沿传感方向的重叠部分(L)限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。

【技术特征摘要】
2017.11.16 DE 102017220412.51.微机械惯性传感器(100)，具有：-固定在衬底上的能运动的震动质量(20a)，该震动质量具有梳状构造的第一电极(20c)；-固定在所述衬底上的第二电极(20d)，其中，所述电极(20c、20d)这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下所述第一电极(20c)与所述第二电极(20d)沿传感方向的重叠部分(L)限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。2.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，在关于所述惯性传感器(100)的测量范围的最大负加速度的情况下所述第一电极(20c)与所述第二电极(20d)沿传感方向的所述重叠部分(L)是这样的，使得所述第一电极和所述第二电极的端部区段限定地小地重叠或相对彼此小于所述第一电极(20c)和所述第二电极(20d)的所述端部区段之间的间距(d)地间隔开。3.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，第一电极(20c)和/或所述第二电极(20d)的至少一个区段不平行于所述传感方向地构造，并且不平行于所述传感方向构造的所述区段在机械方面不限制所述第一电极(20c)和/或所述第二电极(20d)沿传感方向的运动。4.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述第二电极(20d)的至少一部分这样构造，使得所述第二电极(20d)的宽度沿传感方向在传感区域之后构造成宽度保持不变或以...

【专利技术属性】
技术研发人员：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