專利名稱：微機械結構和用于制造微機械結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1前序部分的微機械結構。
背景技術：
這樣的結構通常是公知的。例如由文獻DE 197 19 779 Al已知一種具有一通過懸掛彈簧可運動地懸掛在襯底上的感振質量的加速度傳感器。在加速度傳感器加速時，在感振質量上作用慣性力，慣性力使得感振質量相對于襯底偏移。偏移的程度借助檢測裝置測量。檢測裝置包括一由相對襯底固定的固定電極和固定在感振質量上的配對電極組成的梳形電極結構。為了測量該偏移，對固定電極和配對電極之間的電容量的變化進行分析處理。感振質量、懸掛彈簧和配對電極在這樣的結構中構造在一個唯一的多晶硅功能層(在下面被稱為第一功能層)中，使得這些結構始終相互并排地布置。一個由薄多晶硅制成的帶狀導線層用于電接觸，該帶狀導線層構造在襯底和感振質量之間并且通過絕緣氧化物與襯底晶片分開。為了制造微機械結構，在文獻DE 10 2007 060 878 Al中還建議，使用一個另外的多晶硅功能層(在下面稱為第二功能層)。文獻DE 10 2009 000167 Al例如公開了一種加速度傳感器，它借助兩個分開的功能層構成，而由文獻DE 10 2009 000 345 Al公開了一種用于測量轉速的具有科里奧利元件的轉速傳感器，該轉速傳感器借助兩個分開的功能層構成。轉速傳感器在這里具有一個第一和一個第二科里奧利元件，它們通過一個耦合彈簧相互連接并且借助驅動裝置被激勵平行于第一軸線反相振動，其中，第一和第二檢測裝置檢測由在存在轉速時作用在科里奧利元件上的科里奧利力引起的第一和第二科里奧利元件的偏移，使得第一檢測裝置的第一檢測信號和第二檢測裝置的第二檢測信號之差取決于科里奧利力并且由此也取決于轉速傳感器的轉速。
發明內容
按照并列權利要求的按照本發明的微機械結構和按照本發明的用于制造微機械結構的方法相對于現有技術具有優點，即實現了更緊湊且更剛性的結構。可運動的質量塊的第一部分區域在襯底和設置用于懸掛的耦合彈簧之間的布置具有優點，即微機械結構的面積需求被減小并且由此降低了制造費用。還通過第一部分區域優選實現可運動的質量塊的第二部分區域的耦合，這些第二部分區域布置在耦合彈簧的高度并且因此必然在耦合彈簧的區域中彼此被分開。由此實現了可運動的質量塊的加強，使得不希望的干擾模式向更高頻率移動并且由此相對于現有技術提高了微機械結構的振動強度?？蛇\動的質量塊優選是感振質量、科里奧利元件或用于科里奧利元件的驅動元件。按照本發明的微機械結構尤其是包括MEMS結構兀件(Micro Electro Mechanic System),它在一個半導體制造工藝中被制成。襯底優選包括半導體材料、尤其是硅，它為了形成可運動的質量塊和耦合彈簧被相應地結構化。該結構化在這里優選在光刻、蝕刻、沉積和/或鍵合方法的范圍內實現。優選地，微機械結構具有一個由薄的多晶層制成的帶狀導線層，它用于電接觸并且構造在襯底和可運動的質量塊之間并且通過絕緣的氧化物與襯底分開。本發明的有利的設計方案和擴展方案可由從屬權利要求以及參照附圖的說明得出。按照一種優選的實施方式，所述微機械結構具有一第一功能層和一第二功能層，其中，該第一和第二功能層沿著豎直方向這樣地相互錯開，使得第一功能層沿著豎直方向部分地布置在襯底和第二功能層之間，其中，第一部分區域在第一功能層中構成并且耦合彈簧在第二功能層中構成。以有利的方式微機械結構由兩個功能層構成，其中，尤其是可運動的質量塊不僅由第一層的元件(第一部分區域)而且由第二層的元件(第二部分區域)組合而成。以該方式能夠實現比較剛性的可運動的質量塊的結構，它同時以所謂的位于內部的耦合彈簧懸掛。換言之:耦合彈簧沿著主延伸平面不是固定在可運動的質量塊的最外面的邊緣區域上，而是布置在可運動的質量塊的最外面的邊緣區域內部，從而實現了特別節省面積的微機械結構。第一和/或第二功能層優選分別具有在I和50微米的厚度。按照一種優選的實施方式，可運動的質量塊的第二部分區域在第二功能層中構成并且耦合彈簧直接作用在第二部分區域上。由此以有利的方式可以實現在比較小的鏡片面積上達到所希望的質量。第一部分區域通過第二部分區域尤其是間接地連接到耦合彈簧上。按照一種優選的實施方式，第一部分區域和第二部分區域在一個重疊區域中沿著豎直方向相互地重疊并且在這里第一和第二功能層在重疊區域中直接相互固定地連接或者間接地通過中間層相互固定地連接，從而實現了比較剛性且堅固的可運動的質量塊結構。以有利的方式由此進一步提高了微機械結構的振動強度，因為不希望的干擾模式的頻譜通過較高的剛度向著較高的頻率移動。尤其是由此增加了與期望的使用模式的距離。按照一種優選的實施方式，微機械結構具有至少一個固定電極，它平行于主延伸平面延伸并且沿著豎直方向布置在第一部分區域和襯底之間，其中，固定電極和第一部分區域形成一板式電容器結構。在第一功能層中構成的第一部分區域以有利的方式不僅用于在耦合彈簧的區域中連接和加強可運動的質量塊的在第二功能層中構成的第二部分區域，而且附加地也用作相對襯底固定的固定電極的配對電極。以該方式實現了微機械結構的結構空間特別緊湊的實現方式，因為其中可運動的質量塊通過耦合彈簧被懸掛的連接區域和其中可運動的質量塊相對于襯底的運動被電容地檢測的檢測區域能夠沿著豎直方向相互地重疊。優選地，固定電極構造在由薄的多晶體層制成的帶狀導線層中，它通過絕緣的氧化物與襯底分開。帶狀導線層優選具有在0.2和1.0微米之間、特別優選基本上0.5微米的厚度。尤其是微機械結構具有至少兩個相互相鄰的并且相互電絕緣的固定電極，以便借助沿著豎直方向的重疊面積的變化來檢測可運動的質量塊平行于主延伸平面的偏移。按照一種優選的實施方式，微機械結構具有至少一個與襯底連接并且構造在第二功能層中的止擋彈簧，其中，可運動的質量塊的第一部分區域的構造在第一功能層中的止擋區域沿著豎直方向布置在止擋彈簧和襯底之間并且止擋彈簧與可運動的質量塊間隔開。以有利的方式，止擋彈簧的一個指向可運動的質量塊的自由突出的端部不僅垂直而且平行于主延伸平面與可運動的質量塊稍微間隔開并且不是與可運動的質量塊連接。構造為止擋元件的止擋彈簧具有優點，即可運動的質量塊相對于襯底的最大可能的偏移受到限制，以便阻止在偏移過大時損壞微機械結構。止擋元件作為彈簧彈性的彈簧元件的構成具有優點，即可運動的質量塊在止擋到止擋元件上時不時突然被制動，而是通過止擋彈簧的彎曲至少部分地吸收可運動的質量塊的動能并且可運動的質量塊由此被較緩慢地制動。按照一種優選的實施方式，所述微機械結構是一加速度傳感器的部分并且可運動的質量塊包括一通過外部的加速力相對于襯底可偏移的感振質量塊。加速度傳感器以該有利方式這樣地被構成，即可感測平行于主延伸平面的加速度，因為在這種情況下可運動的質量塊由于慣性力平行于主延伸平面相對于襯底偏移并且在固定電極和第一功能層中的作為配對電極的第一部分區域之間的重疊面積變化。重疊面積的變化然后導致可電分析處理的電容量變化。變換地也可想到，檢測感振質量塊垂直于主延伸平面的偏移，以便檢測垂直于主延伸平面的加速度。在這里然后檢測和分析處理一個基于在固定電極和第一功能層中的用作配對電極的第一部分區域之間的距離變化的電容變化。按照一種優選的實施方式，微機械結構是轉速傳感器的部分，其中，可運動的質量塊包括一在存在轉速時通過科里奧利力相對于襯底可偏移的科里奧利元件和/或可運動的質量塊包括一可通過驅動裝置驅動作振動的驅動元件，該驅動元件通過驅動彈簧與一在存在轉速時通過科里奧利力相對于襯底可偏移的科里奧利元件耦合。微機械結構由此尤其是形成這樣的轉速傳感器的一部分，它被構造為用于檢測平行于主延伸平面的轉速。可運動的質量塊在這里是科里奧利元件和/或用于科里奧利元件的驅動元件。在這兩種情況中有利的是，第一部分區域布置在耦合彈簧和襯底之間，因為由此實現了科里奧利元件和/或驅動框架的結構空間特別緊湊且剛性的構造，由此可實現成本低廉的制造和高的振動強度。還有利的是，用于檢測科里奧利元件的偏移或用于監控驅動元件的驅動振動的檢測電極構造在相應的第一部分區域中，以便減小進一步的面積需求。驅動元件優選包括一個驅動框架，它至少部分地框住科里奧利元件。按照一種優選的實施方式，微機械結構是致動器的部分并且可運動的質量塊包括一可通過驅動裝置驅動的致動器裝置。由此以有利的方式實現了特別堅固且結構空間緊湊的致動器。本發明的另一個主題是用于制造微機械結構的方法，其中，在第一制造步驟中提供襯底，在第二制造步驟中設置第一功能層和在第一功能層中構成可運動的質量塊的第一部分區域，在第三制造步驟中設置第二功能層并且在第二功能層中這樣地構成耦合彈簧，使得第一部分區域沿著豎直方向布置在襯底和彈簧元件之間。由此能夠以有利的方式在使用標準的半導體制造工藝的情況下實現比現有技術更堅固且更緊湊的微機械結構的制造，從而實現特別成本低廉的制造。按照一種優選的實施方式，在第三制造步驟中在第二功能層中構成可運動的質量塊的第二部分區域和/或在一個在第二和第三方法步驟之間進行的中間步驟中在第一功能層上布置一中間層并且該中間層這樣地被結構化，使得第一部分區域和第二部分區域在一重疊區域中通過該中間層剛性地相互連接。可運動的質量塊以有利的方式不僅由第一功能層而且由第二功能層構成，從而能夠實現其中設有耦合彈簧的區域的剛性橋接。
本發明的實施例在附圖中示出并且在下面的說明書中詳細描述。其示出:
圖1a和Ib不出按照本發明的第一實施方式的構造為加速度傳感器的微機械結構的不意視圖；圖2示出按照本發明的第二實施方式的構造為加速度傳感器的微機械結構的示意視圖；圖3示出按照本發明的第三實施方式的構造為轉速傳感器的微機械結構的示意視圖；和圖4a和4b示出按照本發明的第四實施方式的構造為轉速傳感器的微機械結構的不意視圖。在不同的圖中相同的部件始終設有相同的附圖標記并且因此同樣也僅分別命名或提到一次。
具體實施例方式在圖1a中示出一個按照本發明第一實施方式的構造為加速度傳感器40的微機械結構I的示意性剖視圖以及在圖1b中示出其示意性的俯視圖。該微機械結構I包括一襯底2和一相對于襯底2可運動地懸掛的可運動的質量塊3?？蛇\動的質量塊3借助耦合彈簧4彈簧彈性地固定在相對襯底固定的襯底錨定裝置31上。可運動的質量塊3包括一構造在微機械結構I的第一功能層10中的第一部分區域5和一構造在微機械結構I的第二功能層20中的第二部分區域6。第二部分區域6作為框架元件工作，耦合彈簧4直接作用在該框架元件上。耦合彈簧4優選被構造為U形彈簧，它們允許可運動的質量塊3平行于襯底2的主延伸平面100運動。耦合彈簧4還被構造為位于內部的彈簧結構。換言之:耦合彈簧4沿著主延伸平面100基本上由構造為框架的第二部分區域6框住或者說包圍，從而實現盡可能結構空間緊湊的布置。第一和第二部分區域5、6在它們的重疊區域7中沿著一個相對于主延伸平面100垂直的豎直方向101剛性地相互連接，例如通過一構造為氧化層的在第一與第二功能層10、20之間的中間層30。微機械結構I還具有固定電極8、8’，它們構造在一位于第一功能層10和襯底2之間的帶狀導體平面中。優選地，兩個并排布置的固定電極8、8’沿著豎直方向101至少部分地與第一部分區域5重疊，從而第一部分區域5的部分作為固定電極8、8’的配對電極工作并且實現一個由固定電極和配對電極組成的板式電容器結構。優選地，可運動的質量塊3具有一作為配對電極工作的第一部分區域5，該第一部分區域沿著豎直方向101布置在一耦合彈簧5和兩個彼此相鄰的且相互電絕緣的固定電極8、8’之間。當現在一個加速度沿著主延伸平面100作用在微機械結構I上時，可運動的質量塊3相對于襯底2由于慣性力沿著主延伸平面100偏移。在可運動的質量塊3相對于襯底2的這種偏移中，在其中一側在該一個固定電極8和配對電極之間以及在另一側在相鄰的另一個固定電極8’和配對電極之間的相應的重合面積彼此相反地變化，從而也可檢測到相反的電容變化并且可在差動分析的范疇中確定可運動的質量塊3的偏移。以有利的方式明顯減小微機械結構I的面積需求，因為相同的面積區域被用于構成檢測裝置以及用于布置耦合彈簧。以該方式能夠尤其是實現比較大的彈簧元件，它們允許可運動的質量3沿著主延伸平面100以比較大的振幅偏移。此外能夠實現板式電容器結構的較大的電容器面積，從而在微機械結構I的空間需求保持不變時實現傳感器靈敏性的提高。微機械結構I被制成，其方式是首先提供襯底2，然后將固定電極8、8’布置在襯底2上，接下來沉積和相應地結構化第一功能層10以產生第一部分區域5，最后沉積和相應地結構化第二功能層20以產生第二部分區域6和耦合彈簧4。也可想到，通過微機械結構I可檢測一個與豎直方向101平行的加速度。當加速度沿著豎直方向101作用在微機械結構I上時，可運動的質量塊3相對于襯底2由于慣性垂直于主延伸平面100偏移。因此在固定電極8、8’和第一部分區域5的作為配對電極工作的區域之間的距離變化，為了確定加速度，該距離變化通過電容變化可通過電容變化檢測并且可定量地被分析。在圖2中示出一個按照本發明第二實施方式的構造為加速度傳感器40的微機械結構I的示意性視圖，其中，第二實施方式基本上與根據圖1a和Ib示出的第一實施方式相同，其中，區別是按照第二實施方式的微機械結構I具有四個止擋彈簧21。這些止擋彈簧21用于限制可運動的質量塊3沿著豎直方向101的最大偏移。每個止擋彈簧21具有一個通過襯底錨定裝置31連接到襯底2上的端部和一個指向可運動的質量塊3的方向的自由伸出的端部。該自由伸出的端部分別與第一部分區域5沿著豎直方向101間隔開以及與第二部分區域6沿著一個與主延伸平面100平行的方向間隔開。這些止擋彈簧21優選同樣構造在第二功能層20中，從而第一部分區域5的一個止擋區域22沿著豎直方向101布置在止擋彈簧21的每個和襯底2之間。該止擋彈簧21在它的自由伸出的端部上具有一個用于止擋區域22的能彈動的配對止擋面?？上氲剑坏┲箵鯀^域22與止擋彈簧21形成接觸，這些止擋彈簧21同時也作為功能彈簧例如用于提高傳感器的復位力。在圖3中示出一個按照本發明第三實施方式的構造為轉速傳感器41的微機械結構I的示意性視圖。按照第三實施方式的微機械結構I具有兩個可運動的質量塊3，它們作為科里奧利-元件70、70’工作?？蛇\動的質量塊3、3’通過一個科里奧利耦合彈簧彈簧彈性地相互耦合?？蛇\動的質量塊3、3’還通過耦合彈簧4、4’分別彈簧彈性地懸掛在一個構造為驅動框架的驅動元件14、14’上。兩個驅動框架分別借助另外的耦合彈簧50、50’彈簧彈性地懸掛在襯底2上。微機械結構I還具有梳形驅動器形式的驅動裝置12、12’，它們驅動兩個驅動框架沿著一個與主延伸平面100平行的振動方向102反相振動。相應的振動由驅動框架通過耦合彈簧4、4’分別傳遞到可運動的質量塊3、3’上。當存在沿著一個與主延伸平面100平行且與振動方向102垂直的感測方向103的轉速時，在可運動的質量塊3、3’上沿著豎直方向101作用科里奧利力，由此使這些可運動的質量塊3、3’反相地向著襯底2的方向偏移或在遠離襯底2的方向上偏移。該偏移借助兩個相對襯底固定的固定電極8、8’電容地被檢測(在圖3a出于清楚的考慮不可見)。固定電極8、8’布置在襯底2和相應的可運動的質量塊3、3’之間。兩個可運動的質量塊3、3’中的每個現在包括一個構造在第一功能層10中的第一部分區域5、5’和一個構造在第二功能層20中的第二部分區域6、6’。第一和第二部分區域5、5’、6、6’由此沿著豎直方向101相互錯開地布置。第一和第二部分區域5、5’、6、6’還在它們的共同的重疊區域7、7’中剛性地相互連接。耦合彈簧4、4’與可運動的質量塊3、3’不同僅在第二功能層20中構成，使得耦合彈簧4、4’能夠不受阻擋地在第一部分區域5、5’上延伸。可運動的質量塊3、3’現在這樣地由第一和第二部分區域5、5’、
6、6’構成，使得第一部分區域5、5’沿著主延伸平面100突出超過第二部分區域6、6’的邊緣區域，其中，耦合彈簧4、4’在這些邊緣區域中延伸。第一部分區域5、5’的面積由此大于第二部分區域6、6’的面積。第一部分區域5、5’作為固定電極8、8’的配對電極工作，從而固定電極8、8’也相應地可以構造為較大。結果板式電容器結構的板大小較大，而不需為此增大面積需求。板大小的增大有利地用于提高電容量和由此提高傳感器的靈敏度。在圖4a和4b中示出一個按照本發明第四實施方式的構造為轉速傳感器41的微機械結構I的示意性視圖，其中，第四實施方式基本上與根據圖3示出的第三實施方式相同，其中，區別是按照第四實施方式的構造為驅動框架的驅動元件14、14’同樣具有在第一功能層10中構成的另外的第一部分區域60、60’。驅動框架的這些另外的第一部分區域60、60’與在第二功能層20中構成的另外的第二部分區域61、61’分別固定地連接。以優選方式，這些另外的第一部分區域60、60’用于加強由圖3公開的驅動框架，從而抑制驅動框架的由驅動振動引起的不希望的變形或者至少向著較高的頻率移動。轉速傳感器41的面積需求在這里有利地不增大，因為這些另外的第一部分區域60在豎直方向101上與這些另外的耦合彈簧50、50’不受干擾地重疊。這一點通過以下方式實現，即這些另外的第一部分區域60、60’僅在第一功能層10中構成，而這些另外的耦合彈簧50、50’僅在第二功能層20中構成。在圖4b中為了說明示出在圖4a中所示的轉速傳感器41的第一功能層10?？煽粗罥J，在第一功能層10中僅示出構造為科里奧利元件70、70’的可運動的質量塊3、3’的第一部分區域5、5’和構造為驅動框架的可運動的質量塊的另外的第一部分區域60、60’。
權利要求
1.微機械結構(I)，具有一包括主延伸平面(100)的襯底(2)和一相對于襯底(2)可運動的質量塊(3，14，70)，其中，可運動的質量塊(3)通過至少一個耦合彈簧(4，50)彈簧彈性地懸掛，其特征在于，可運動的質量塊(3)的至少一個第一部分區域(5，60)沿著一相對于主延伸平面(100)基本上垂直的豎直方向(101)至少部分地布置在襯底(2)和耦合彈簧(4，50)之間。
2.根據權利要求1的微機械結構(1)，其特征在于，所述微機械結構(I)具有一第一功能層(10)和一第二功能層(20)，其中，該第一和第二功能層(10，20)沿著豎直方向(101)這樣地相互錯開，使得第一功能層(10)沿著豎直方向(101)布置在襯底(2)和第二功能層(20)之間，其中，第一部分區域(5，60)在第一功能層(10)中構成并且耦合彈簧(4，50)在第二功能層(20)中構成。
3.根據權利要求2的微機械結構(1)，其特征在于，可運動的質量塊(3)的第二部分區域(6，61)在第二功能層(20)中構成并且耦合彈簧(4，50)直接作用在第二部分區域(6，61)上。
4.根據權利要求3的微機械結構(I)，其特征在于，第一部分區域(5，60)和第二部分區域(6)在一重疊區域(7)中沿著豎直方向(101)相互地重疊并且第一和第二功能層(10，20)在重疊區域(7)中直接相互固定地連接或者間接地通過一中間層(30)相互固定地連接。
5.根據以上權利要求之一的微機械結構(I)，其特征在于，所述微機械結構(I)具有固定電極(8，8’)，這些固定電極平行于主延伸平面(100)延伸并且沿著豎直方向(101)布置在第一部分區域(5，60)和襯底(2)之間，其中，這些固定電極(8，8’)和第一部分區域(5，60)形成一板式電容器結構。
6.根據以上 權利要求之一的微機械結構(I)，其特征在于，所述微機械結構(I)具有至少一個與襯底(2)連接并且構造在第二功能層(20)中的止擋彈簧(21)，其中，可運動的質量塊(3，14)的第一部分區域(5，60)的構造在第一功能層(10)中的止擋區域(22)沿著豎直方向(101)布置在止擋彈簧(21)和襯底(2)之間并且止擋彈簧(21)與可運動的質量塊(3,14)間隔開。
7.根據以上權利要求之一的微機械結構(I)，其特征在于，所述微機械結構(I)是一加速度傳感器(40)的部分并且可運動的質量塊(3，14)包括一通過外部的加速力相對于襯底(2)可偏移的感振質量塊。
8.根據權利要求1至6之一的微機械結構(1)，其特征在于，所述微機械結構(I)是一轉速傳感器(41)的部分，其中，可運動的質量塊(3，14)包括一在存在轉速時通過科里奧利力相對于襯底(2)可偏移的科里奧利元件(70)和/或可運動的質量塊(3)包括一可通過驅動裝置(12)驅動作振動的驅動元件(14)，該驅動元件通過驅動彈簧(4)與一在存在轉速時通過科里奧利力相對于襯底(2)可偏移的科里奧利元件耦合并且借助耦合彈簧(50)懸掛在襯底(2)上。
9.根據權利要求1至6之一的微機械結構(I)，其特征在于，所述微機械結構(I)是致動器的部分并且可運動的質量塊(3)包括一可通過驅動裝置驅動的致動器裝置。
10.用于制造根據以上權利要求之一的微機械結構(I)的方法，其特征在于，在第一制造步驟中提供襯底(2)，在第二制造步驟中設置第一功能層(10)和在第一功能層(10)中構成可運動的質量塊(3)的第一部分區域(5，60)，在第三制造步驟中設置第二功能層(20)并且在第二功能層(20)中這樣地構成耦合彈簧(4，50)，使得第一部分區域(5，60)沿著豎直方向(101)布置在襯底(2)和彈簧元件(4，50)之間。
11.根據權利要求10的方法，其特征在于，在第三制造步驟中在第二功能層(20)中構成可運動的質量塊(3)的第二部分區域(6，61)和/或在一個在第二和第三方法步驟之間進行的中間步驟中在第一功能層(10)上布置一中間層(30)并且該中間層(30)這樣地被結構化，使得第一部分區域(5，60)和第二部分區域(6，61)在一重疊區域(7)中通過該中間層(30)剛性地相互連 接。
全文摘要
本發明涉及一種微機械結構，具有一包括主延伸平面的襯底和一相對于襯底可運動的質量塊，其中，可運動的質量塊通過至少一個耦合彈簧彈簧彈性地懸掛，其中可運動的質量塊的一個第一部分區域沿著一相對于主延伸平面基本上垂直的豎直方向至少部分地布置在襯底和耦合彈簧之間。
文檔編號G01P15/125GK103213934SQ20131002100
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月21日 優先權日2012年1月23日
發明者J·克拉森 申請人:羅伯特·博世有限公司
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