微機械構件和用于制造微機械構件的方法與流程
本發明涉及一種微機械構件和一種用于制造微機械構件的方法。
背景技術：
在現有技術中以各種不同的實施方式已知微機械構件及其制造方法。在出版物de19537814a1中例如說明了一種用于制造微機械傳感器加速度傳感器和轉速傳感器的方法。利用這種和類似的方法，產生也運動的硅結構，通過確定電容變化來測量其運動。這類方法的特征和進一步的討論是，在第一步驟中通過蝕刻工藝制造可運動的硅結構，其中，在硅層中以大的縱橫比產生溝槽(de4241045c1)。在第二步驟中去除硅層下方的犧牲層(大多為氧化物層，參見例如de4317274a1)。因此，獲得了可相對于底座自由運動的硅結構。
此外，由de102011080978a1已知一種方法，利用該方法可將多個可運動的mems結構上下疊置地布置。用這種和其他omm技術(表面微機械技術)可以構建轉速傳感器。在所有這些方法中關鍵的是，功能層的結構化不是完全垂直地進行并且總是存在溝槽角度(即通過蝕刻產生的結構的側壁的角度)的一定制造偏差。此外，總是存在溝槽結構的寬度一定制造偏差。趨勢是，層越厚，溝槽結構的寬度波動越大。這些效果導致已知的omm轉速傳感器的測量精度降低。
已知的omm轉速傳感器大多基于以下基本概念：
兩個質量塊(可運動的omm結構)反向平行地振動。通過科里奧利力，這些質量塊垂直于各自的運動方向偏轉，其中，兩個質量塊的垂直偏轉也反向平行地進行。偏轉被測量并且相應于要測量的轉速。由于反向平行的偏轉，可以在測量中清楚地區分施加在構件上的轉速和引起平行偏轉的加速度。
上面提到的非精確的垂直溝槽角度使得質量塊也分別實施垂直于所希望運動方向的運動。這些質量塊因而進行擺動運動。該擺動運動由于它們的運動方向而總是引起錯誤信號(所謂的quadratur，正交差)。這種錯誤信號是不希望的并且降低了傳感器的靈敏度。
對于旨在探測垂直于襯底平面的旋轉的傳感器，兩個運動質量塊也在該平面中受激振動，在此垂直于探測方向受激振動。然而，在這種情況下探測質量塊在垂直于質量塊運動方向的平面內的偏轉。由于溝槽結構、特別是彈簧結構的寬度的偏差，可運動的質量塊懸掛在剛度略微不同的彈簧上。彈簧懸掛裝置中的這種不對稱性導致平面中的擺動運動。這種擺動運動類似于第一個例子導致不希望的錯誤信號。
技術實現要素：
在此背景下，本發明的一個目的是，提供一種用于轉速傳感器的裝置和制造方法，其具有減小的正交差。此外，本發明的目的是，提供一種裝置和制造方法，利用該裝置和制造方法可以實現尺寸減小的轉速傳感器。
根據本發明，提出一種微機械構件，尤其是轉速傳感器，具有具有主延伸平面的襯底和至少一個質量振子，其中，質量振子通過一個或多個彈簧元件相對于襯底能振動地支承，其中，至少一個彈簧元件具有第一彈簧部分元件和第二彈簧部分元件，其中，第一彈簧部分元件和第二彈簧部分元件在垂直于主延伸平面的垂直方向上疊置地布置并且在該垂直方向上彼此間隔開。
根據本發明的微機械構件與現有技術相比具有的優點是，在彈簧元件由彼此間隔開的兩個彈簧部分元件組成的情況下在寬度和溝槽角度方面的制造公差不如具有在具有可比較的垂直尺寸的單件式彈簧元件的情況下那么重要。概念“垂直”是指垂直于襯底平面的方向，部暗含與重力方向的關系。彈簧部分元件或單件式彈簧元件的垂直尺寸相當于層的厚度，從該層蝕刻出相應的結構。平行于襯底平面的方向在下文中也稱為“橫向”，在這些方向上的運動或變形相應地被稱為垂直自由度和橫向自由度。(除了例如由晶體結構引起的材料各向異性外)彈簧元件的形狀和尺寸、特別是橫截面的尺寸確定各種不同變形時的行為，特別是抗彎曲剛度。下面的討論將僅限于簡單的、具有恒定橫截面的梁形彈簧，其上側和下側彼此平行，其側壁由溝槽角度確定。發明構思不限于此，而是可以轉用到更復雜的彈簧幾何形狀上。在完美的垂直溝槽角度的情況下，彈簧元件的橫截面基本上是矩形的。橫截面的橫向和垂直尺寸(即寬度和高度)在此分別確定橫向的和垂直方向的抗彎曲剛度。在完美的矩形橫截面的情況下這兩個自由度彼此脫耦，即，在垂直方向或橫向方向上的彎曲分別僅產生垂直方向或橫向方向上的應力，使得彈簧元件的橫向受激的彎曲振動在進一步的時間進程內保持在橫向平面中。相反，溝槽角度與垂直角度的偏差(即在側面彼此不垂直的情況下的橫截面)導致這兩個自由度的機械耦合。在此，尤其是橫向方向上的彎曲導致垂直方向上的應力，使得橫向激勵的彎曲振動總是包含垂直方向上的分量，因此產生正交誤差。橫向-垂直耦合的強度一方面由溝槽角確定，另一方面由縱橫比(即橫向尺寸與垂直尺寸或者說高度與寬度的比)確定，其中，縱橫比越大則耦合程度越大。
現在，本發明的核心思想是，用兩個彈簧部分元件代替具有高縱橫比的單件式彈簧元件，兩個彈簧部分元件的縱橫比分別較小并且兩個彈簧部分元件共同通過橫向方向上的彎曲對懸掛式的質量振子起彈簧作用。在此，盡可能不失真的橫向振動行為的前提條件是，兩個彈簧部分元件盡可能精確地在垂直方向是疊置地布置，使得兩個彈簧部分元件在垂直方向上看是相覆蓋的。在這里“覆蓋”應理解為，在彈簧部分元件向主延伸平面上垂直投影時，兩個投影重疊或優選地最大程度地重疊或特別優選甚至重合。如果兩個彈簧部分元件分別分開地從兩個疊置的層中蝕刻出，則可以以有利的簡單方式實現兩個彈簧部分元件的這種覆蓋，因為在現代制造方法中可以實現蝕刻結構的相對布置和取向的高精度。
除了針對制造公差的增強的魯棒性之外，使用根據本發明的裝置還可以實現較小的傳感器。優選，彈簧元件在第一和第二彈簧部分元件之間具有空隙。由兩個彈簧部分元件組成的彈簧元件比具有相同寬度和相同總高度的單件式彈簧元件具有較低的剛度，因為兩個彈簧部分元件之間的空隙降低了整體剛度。因此，可以用較短的彈簧元件實現所希望的彈簧常數，從而有利地減小構件的尺寸。
根據本發明的優選實施方式，第一和第二彈簧部分元件之間的垂直距離大于第一彈簧部分元件的垂直延伸尺度和第二彈簧部分元件的垂直延伸尺度。如果彈簧由兩個薄的彈簧部分元件組成，在彈簧部分元件垂直方向上的距離大于彈簧部分元件的垂直延伸尺度，則溝槽角度對正交的影響是次要的。對于平面外(out-of-plane)擺動運動起決定作用的是，兩個彈簧元件相互校準得多好。在現代半導體制造方法中可以很好地實現覆蓋精度。這種精度明顯高于在20微米厚的層上從上向下在最好情況下可以實現的由溝槽角度決定的偏錯。因此，可以制造探測襯底平面中的旋轉的更靈敏的傳感器。
根據本發明的另一優選實施方式，在第一和第二彈簧部分元件之間至少在部分區域中布置加強結構。例如可以通過在制造過程中沉積三個疊加的層來實現加強結構，其中，從第一和第三層蝕刻出兩個彈簧部分元件并且從第二層蝕刻出加強結構。在此，加強結構優選地不延伸到彈簧元件的整個長度上，而是僅在部分區域中連接兩個彈簧部分元件。通過這種局部連接使彈簧元件在橫向方向上的剛度僅部明顯地改變，而在垂直方向上的剛度明顯提高。由于垂直方向上的剛度(平面外剛度)提高，垂直方向上的振動被抑制并且有利地減小了正交貢獻。
根據本發明的另一優選實施方式，加強結構具有較高的剛度和/或彈簧部分元件在加強結構的區域中具有較大的寬度。以這種方式有目的地提高了加強區域中的平面外剛度，因此有利地使加強結構的正交貢獻最小化。
根據本發明的另一優選實施方式，第一和第二彈簧部分元件基本上具有相同的橫截面和/或彼此平行地延伸。
開頭所述的發明目的還通過本發明方法實現。根據本發明，提出一種用于制造微機械構件的方法，其中，-在第一步驟中沉積具有主延伸平面的第一功能層，-在第二步驟中通過蝕刻第一功能層產生第一彈簧部分元件，-在第三步驟中沉積第二功能層，其中，第二功能層在垂直于主延伸平面的垂直方向上布置在第一功能層上方，-在第四步驟中通過蝕刻第二功能層產生第二彈簧部分元件，使得第二彈簧部分元件在垂直方向上與第一彈簧元件相覆蓋。
兩個彈簧部分元件中的每一個分別在分開的沉積過程和蝕刻過程中產生，其中，這樣進行蝕刻，使得兩個彈簧部分元件盡可能精確地上下疊置。如果彈簧由兩個薄的彈簧部分元件構成，則由于較小的層厚度而在制造過程中在單個子彈簧寬度方面實現較小的波動。由于在彈簧寬度方面的預期較小的偏差，也可以減小平面中的擺動運動。因此可以制造探測垂直于襯底平面的旋轉的更靈敏的傳感器。由于彈簧部分元件由相對薄的層制成，可以更容易地實現所希望的機械性能，例如低的彈簧模量波動或晶體結構的一致性。結果，以這種方式制造的彈簧元件例如在預偏轉或剛度偏差方面具有更好的品質。
根據本發明方法的優選實施方式，第一和第二功能層的沉積這樣進行，使得第一和第二功能層具有基本相同的厚度。以這種方式使得通過接著的蝕刻有利地產生具有相似或相同垂直尺寸的彈簧元件。
根據本發明方法的另一優選實施方式，第一和第二功能層的蝕刻這樣進行，使得第一和第二彈簧部分元件具有基本相同的蝕刻角度。這可以例如由此實現：第一和第二功能層用技術上相同的蝕刻方法或至少類似的蝕刻方法來蝕刻，使得兩個彈簧部分具有相同或極相似的蝕刻角度。以這種方式有利地可以產生具有基本相同或極相似的橫截面的彈簧部分元件。
根據本發明方法的另一優選實施方式，在第一步驟之后和第三步驟之前的第五步驟中沉積第三功能層，其中，第三功能層布置在第一和第二功能層之間。第三功能層有利地使得在之前和之后的步驟中沉積的第一和第二層被第三功能層的厚度間隔開。
根據本發明方法的另一優選實施方式，在第五步驟之后的步驟中，通過蝕刻第三功能層來產生加強結構，使得加強結構在垂直方向看與第一和第二彈簧元件相覆蓋。以這種方式可以制造(如上關于加強結構所述)具有與現有技術的一體式彈簧元件相同或更高的面外剛度的彈簧元件其。由此制造的彈簧元件由于其由各一個處于厚的功能層下方和上方的部分元件構建并且與加強元件向結合而比僅從厚的功能層蝕刻出的彈簧元件具有更大的總高度。因此，這種新的彈簧在垂直方向上明顯更堅硬。因此可以有利地減少寄生的振動模式。
附圖說明
圖1示出了根據現有技術的轉速傳感器的示意圖。
圖2示出了根據現有技術的另一轉速傳感器的示意圖。
圖3a-d示出了根據現有技術的由轉速傳感器的測量信號的探測原理和由制造公差引起的失真的示意圖。
圖4以示意圖示出了根據現有技術的轉速傳感器和從屬的彈簧元件的橫截面的示意圖。
圖5示出了根據本發明實施方式的轉速傳感器和從屬的彈簧元件的橫截面的示意圖。
圖6示出了根據本發明實施方式的轉速傳感器和從屬的彈簧元件的另一橫截面的示意圖。
具體實施方式
圖1示出了根據現有技術的轉速傳感器1。在制造這種傳感器1時，通常通過沉積厚硅層并接著蝕刻該層來制造硅結構2。在蝕刻時，在硅層中產生具有高縱橫比的溝槽3(溝道槽)。在第二步驟中去除布置在厚硅層下方的犧牲層，使得由于產生的垂直間隙4而使硅結構2相對于襯底10的運動變得可能。在可運動的結構2下方還可以布置薄的多晶硅層，通過蝕刻從該多晶硅層產生另外的元件5,6，這些元件可以例如用作懸掛裝置5或電極6。
圖2示出了根據現有技術的另一轉速傳感器1。在所示實施方式中，通過從薄的多晶硅層蝕刻產生導體軌7。傳感器1的可運動結構2被罩8氣密地保護。罩晶片8可以用不同的鍵合方法施加到傳感器晶片上，例如通過將罩8固定到傳感器晶片上的連接材料11。在罩8中達到設置空腔9。
在圖3a-c中示出了根據現有技術的轉速傳感器1的探測原理。為此激勵兩個分別懸掛在彈簧元件13上的質量振子12進行反向平行振動。在圖3a中，這種反向平行振動沒有外力、即在傳感器1靜止的情況下顯示。另而如果在傳感器上施加轉速17，該轉速的旋轉軸線具有垂直于質量振子12的振動方向的分量(圖3c)，則科里奧利力作用到質量振子上，該力導致垂直于振動方向并垂直于旋轉軸線的附加偏轉。在這里，反向平行運動方向相應地經受反向平行的偏轉，而在圖3b所示情況下存在外部(線性)加速度16期間，引起兩個質量塊12在相同方向(在所示情況下向下，向襯底方向)上的偏轉。因此，通過比較兩個質量塊12的偏轉，可以將施加的轉速17的效果與施加的加速度16的效果清楚地分開。圖3d示出了由制造公差引起的測量信號失真。為了能夠在不失真的情況下充分利用圖3c的探測原理，必須使橫向方向19上和垂直方向18上的運動自由度彼此脫耦。橫向方向19在這里應理解為平行于襯底平面的方向。在所示的二維圖中，橫向方向18相當于紙面的水平方向，但這示意性地表示也可具有垂直于紙面的分量的運動。由于制造過程中的波動，特別是由于彈簧元件13的非精確垂直的溝槽角度，產生橫向自由度和垂直自由度的機械耦合，使得質量振子12的運動除了包含希望的振動方向19外還在沒有外力的情況下包含在垂直方向18上的分量并且質量振子12由此實施在圖3d中所示的擺動運動。由于不希望的耦合引起的這種擺動運動原則上不能與圖3c中的由科里奧利力引起的垂直偏轉區分開。對應的錯誤信號也稱為正交差并且以不利的方式降低轉速傳感器1的靈敏度。
圖4示出了具有典型制造公差的轉速傳感器。在圖中右側的俯視圖中示出了質量振子12，其通過四個彈簧元件13與懸掛裝置5連接并且通過靜電驅動器23可以被激勵相對于襯底10(在俯視圖中未示出)振動。在該俯視圖中還標記處剖切平面a，其延伸穿過彈簧元件13。在該俯視圖的左側示出了對應的剖面。為了理解本發明裝置的功能方式及其與現有技術的區別，直觀地看可以將彈簧13分解為兩個部分。粗略地說，現有技術的彈簧13的情況下是，如果上部分的重心21處于下部分的重心22上方(這里相對于襯底10來理解上和下)，不會引起擺動運動。如果彈簧被傾斜地開槽(即相對于垂直方向成非零角度20)，則兩個重心21,22不再上下疊置并且發生擺動運動。
圖5示出了根據本發明實施方式的轉速傳感器1。從屬與在俯視圖中標記的剖切平面b的剖面在左側示出。與圖4中所示的彈簧橫截面不同，彈簧元件13在這里由兩個彈簧部分元件14和15構成，它們具有與圖4中的彈簧元件13可比較的寬度26。它們各自從兩個分開的薄層蝕刻出，其中，類似于圖4，在此形成非精確垂直的溝道角度。然而，每個彈簧部分元件14和15自身具有明顯較小的縱橫比(高度與寬度)，使得傾斜的溝道角度導致橫向自由度和垂直自由度之間的明顯更小的耦合。對于整個彈簧13，耦合也是小的，前提是，第二彈簧元件15的重心25盡可能精確地處于第一彈簧元件14的重心24上方。與圖4不同，下重心24和上重心25之間的偏錯不是由溝道角度確定，而是由彈簧元件14和15相對于彼此的相對橫向位置確定，但是在現代制造方法中該相對橫向位置可以非常精確地產生。
圖6示出了圖5中的彈簧元件13連同剖切平面c，該剖切平面與彈簧元件13的加強區域28相交。在加強區域28中，一方面，彈簧部分元件24和25的寬度26選擇得大于其余區域中的寬度(參見圖5中的剖切平面b中的寬度26)，另一方面，在彈簧部分元件24和25之間布置了加強結構27。在制造中，通過沉積布置在薄層之間的厚層來制造加強結構27，彈簧部分元件24和25從薄層蝕刻出。通過加強結構27，彈簧元件13在垂直方向上得到明顯更高的抗彎曲剛度，從而有效地抑制在該方向上的振動。
技術特征：
1.微機械構件(1)，尤其是轉速傳感器，具有具有主延伸平面的襯底(10)和至少一個質量振子(12)，其中，質量振子(12)通過一個或多個彈簧元件(13)相對于襯底(10)能振動地支承，其特征在于，至少一個彈簧元件(13)具有第一彈簧部分元件(14)和第二彈簧部分元件(15)，其中，第一彈簧部分元件(14)和第二彈簧部分元件(15)在垂直于主延伸平面的垂直方向(18)上疊置地布置并且在該垂直方向(18)上彼此間隔開。
2.根據權利要求1所述的微機械構件(1)，其中，所述第一彈簧部分元件(14)和第二彈簧部分元件(15)之間的垂直距離大于所述第一彈簧部分元件(14)的垂直延伸尺度和所述第二彈簧部分元件(15)的垂直延伸尺度。
3.根據權利要求1或2所述的微機械構件(1)，其中，在所述第一彈簧部分元件(14)和第二彈簧部分元件(15)之間至少在部分區域(28)中布置加強結構(27)。
4.根據權利要求3所述的微機械構件(1)，其中，所述加強結構(27)具有較高的剛度和/或所述彈簧部分元件(14,15)在所述加強結構(27)的區域(28)中具有較大的寬度。
5.根據前述權利要求中任一項所述的微機械構件(1)，其中，所述第一彈簧部分元件(14)和第二彈簧部分元件(15)具有基本相同的橫截面和/或彼此平行地延伸。
6.用于制造微機械構件(1)的方法，其中，
-在第一步驟中沉積具有主延伸平面的第一功能層，
-在第二步驟中通過蝕刻第一功能層產生第一彈簧部分元件(14)，
-在第三步驟中沉積第二功能層，其中，第二功能層在垂直于主延伸平面的垂直方向(18)上布置在第一功能層上方，
-在第四步驟中通過蝕刻第二功能層產生第二彈簧部分元件(15)，使得第二彈簧部分元件(15)在垂直方向(18)上與第一彈簧部分元件(14)相覆蓋。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述第一功能層和第二功能層的沉積這樣進行，使得所述第一功能層和第二功能層具有基本相同的厚度。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其中，所述第一功能層和第二功能層的蝕刻這樣進行，使得所述第一彈簧部分元件(14)和第二彈簧部分元件(15)基本具有相同的蝕刻角度(20)。
9.根據權利要求6至8之一所述的方法，其中，在第一步驟之后和第三步驟之前的第五步驟中沉積第三功能層，其中，第三功能層布置在第一功能層和第二功能層之間。
10.根據權利要求6至9之一所述的方法，其中，在所述第五步驟之后的步驟中通過蝕刻所述第三功能層產生加強結構(27)，使得所述加強結構(27)在垂直方向(18)上與所述第一彈簧元件(14)和第二彈簧元件(15)相覆蓋。
技術總結
本發明涉及一種微機械構件(1)，尤其是轉速傳感器，具有具有主延伸平面的襯底(10)和至少一個質量振子(12)，質量振子(12)通過一個或多個彈簧元件(13)相對于襯底(10)能振動地支承，其中，至少一個彈簧元件(13)具有第一彈簧部分元件(14)和第二彈簧部分元件(15)，第一彈簧部分元件(14)和第二彈簧部分元件(15)在垂直于主延伸平面的垂直方向(18)上疊置地布置并且在該垂直方向(18)上彼此間隔開。本發明涉及一種制造微機械構件(1)的方法。
