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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor
mit einem gegenüber einem
Basissubstrat auslenkbaren als seismische Masse dienenden Sensorelement
und wenigsten einer zum Basissubstrat ortsfesten Detektionselektrode.
Dabei ist sowohl das Sensorelement als auch die wenigstens eine
Detektionselektrode in einer gemeinsamen Funktionsebene realisiert.
Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen
solchen Beschleunigungssensor.
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Zur
Messung von Beschleunigungen können Beschleunigungssensoren
verwendet werden, die auf dem Feder-Masse-Prinzip basieren. Bei
einem solchen Sensor wird die durch eine Beschleunigung verursachte
Auslenkung einer an wenigstens einem Federelement aufgehängte Schwungmasse
gegenüber
einem als Bezugssystem dienenden Substrat erfasst. Sofern die Eigenschaften
des Feder-Masse-Systems
bekannt sind, kann anhand des Verhaltens des Sensors auf die darauf
wirkende Beschleunigungskraft geschlossen werden. Die Detektion
einer Beschleunigung erfolgt bei einem kapazitiven Beschleunigungssensor
beispielsweise durch Auswertung einer Kapazitätsänderung, die durch eine Änderung
des Abstands zwischen einem Elektrodenbereich des Schwungkörpers, der
auf einem bestimmten elektrischen Potential gehalten wird, und einer ortsfest
zum Basissubstrat angeordneten Elektrode auftritt.
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Beschleunigungssensoren
können
als mikromechanische Bauelemente hergestellt werden. Bei so genannten
MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) sind die mechanischen Komponenten
eines Beschleunigungssensors zusammen mit elektrischen Schaltkreisen
auf oder aus dem gemeinsamen Halbleitersubstrat realisiert.
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Bei
den nach dem Feder-Masse-Prinzip arbeitenden kapazitiven Sensorkonzepten
erfolgt die Detektion der Auslenkung bei z-Beschleunigungen in der
Regel mittels Elektroden die unterhalb bzw. oberhalb der beweglichen
Struktur des Sensors angeordnet sind. Dabei werden lediglich horizontal
strukturierte Strukturen verwendet, die in der Vertikalen aus nahezu
vertikalen Wänden
bestehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen mikromechanisch erzeugten Beschleunigungssensor
bereit zustellen, der eine in seinem Funktionsprinzip kompakte Bauweise
aufweist und kostengünstig
hergestellt werden kann. Dies wird durch einen Beschleunigungssensor
gemäß Anspruch
1 erreicht, bei dem das Sensorelement und die Detektionselektroden aus
einer gemeinsamen Funktionsschicht gebildet sind. Ferner wird die
Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensors
gemäß Anspruch
10 gelöst.
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Die
Erfindung sieht einen Beschleunigungssensor vor, der eine gegenüber einem
Basissubstrat ortsfest angeordnete erste Elektrodenstruktur und ein
gegenüber
dem Basissubstrat auslenkbar angeordnetes Sensorelement mit einem
ersten Elektrodenbereich umfasst. Das Sensorelement ist dabei über wenigstens
ein Federelement elastisch mit dem Basissubstrat gekoppelt, wobei
beim Auslenken des Sensorelements gegenüber dem Basissubstrat aufgrund
einer Beschleunigung der Abstand zwischen der ersten Elektrodenstruktur
und dem ersten Elektrodenbereich verändert wird. Dabei ist vorgesehen, dass
das Sensorelement und die erste Elektrodenstruktur wenigsten teilweise übereinander
angeordnet innerhalb einer gemeinsamen Funktionsebene realisiert
sind. Da die Elektrodenstruktur und der Elektrodenbereich des Sensorelements über- bzw. untereinaner
angeordnet sind, somit also einen geeinsamen Überschneidungbereich in der
durch das Basissubstrat vorgegebenen xy-Ebene aufweisen, wird eine
besonders kompakte Bauweise ermöglicht. Ferner
bietet dieses Sensorprinzip durch die weitestgehende mechanische
Entkopplung der beweglichen Struktur von Schichten ober- und unterhalb
dieser Struktur Vorteile hinsichtlich Robustheit gegenüber externen
mechanischen Verbiegungen, die beispielsweise durch Verpackungseinflüsse auftreten
können. Da
die Elektrodenstruktur im Bereich des Sensorelements räumlich entfernt
von dem Basissubstrat verläuft,
ist der Sensor auch weitestgehend gegenüber Oberflächenladungen entkoppelt, die
auf dem Substrat bzw. auf einer Substratschicht auftreten können. Dies
führt unter
ande rem zu einer verbesserten Nullpunktstabilität des Sensorsignals bei Temperaturänderung.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht ein Sensorelement vor, das aus einer ersten
und einer zweiten Teilschicht der Funktionsschicht gebildet ist,
wobei der erste Elektrodenbereich und die erste Elektrodenstruktur
bzw. ein dem zweiten Elektrodenbereich korrespondierender Teil der
zweiten Elektrodenstruktur aus jeweils verschiedenen Teilschichten
der gemeinsamen Funktionsschicht gebildet sind. Mithilfe des zweiteiligen
Aufbaus der Funktionsschicht lässt
sich die vertikale Strukturierung der Sensorkomponenten besonders einfach
realisieren.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass das Sensorelement einen zweiten Elektrodenbereich umfasst,
der mit einer gegenüber dem
Basissubstrat ortsfest angeordneten zweiten Elektrodenstruktur derart
korrespondiert, dass ein Auslenken des Sensorelements gegenüber dem
Basissubstrat auch eine Änderung
des Abstands zwischen der zweiten Elektrodenstruktur und dem zweiten
Elektrodenbereich bewirkt. Der zweite Elektrodenbereich ist dabei
aus einer der beiden Teilschichten der gemeinsamen Funktionsschicht
gebildet, während
die zweite Elektrodenstruktur bzw. der dem zweiten Elektrodenbereich
korrespondierende Teil der zweiten Elektrodenstruktur aus der anderen
der beiden Teilschichten gebildet ist. Mithilfe der zweiten Elektrodenstruktur
kann eine differentielle und damit auch genauere Auswertung der
Kapazitätsänderung realisiert
werden. Sofern die erste und die zweite Elektrodenstruktur als zwei
Teilelektroden einer einzigen Detektionselektrode beidseitig des
Federelements angeordnet werden, lassen sich damit auch unerwünschte Bewegungen,
wie beispielsweise Störschwingungen,
des Sensorelements in z-Richtung kompensieren.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das Sensorelement in Form einer Wippe ausgebildet,
die zwei Flügel
mit einer asymmetrischen Massenverteilung aufweist und über zwei
als Torsionsstege ausgebildete Federelemente drehbar mit dem Basissubstrat
gekoppelt ist. Dieses Sensorkonzept erlaubt eine differentielle
Auswertung der durch eine Auslenkung der seismischen Masse bedingte
Kapazitätsänderung.
Eine an einem der beiden Flügel
angeordnete Zusatzmasse erlaubt das Einstellen der Empfindlichkeit
des Sensors.
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Eine
andere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht ein in Form eines Trampolins ausgebildetes Sensorelement
vor, das vier jeweils über einen
Steg miteinander verbundene Flügel
aufweist. Dabei ist zwischen den Flügeln jeweils ein Federelement
angeordnet, das von dem jeweiligen Steg zu einem zentralen Befestigungssockel
verläuft.
Ferner weisen die Flügel
eine im Wesentlichen symmetrische Massenverteilung auf. Die trampolinartige
Sensorform erlaubt eine gerichtete Detektion der Beschleunigung.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Federelemente aus der ersten
und/oder der zweiten Teilschicht gebildet sind. Hierdurch lässt sich
die Federstärke
der verwendeten Federelemente auf eine besonders einfache Weise
in wenigstens zwei Stufen variieren.
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Ferner
sieht die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Beschleunigungssensors vor,
bei dem eine erste Teilschicht einer Funktionsschicht auf einer
auf einem Basissubstrat angeordneten ersten Opferschicht abgeschieden
wird. Die erste Teilschicht wird dann strukturiert, um eine erste
Ebene eines Sensorelements und eine davon räumlich separierte erste Elektrodenstruktur
zu erzeugen. Anschließend
wird eine zweite Opferschicht auf der ersten Funktionsschicht im
Bereich der ersten Elektrodenstruktur abgeschieden, auf der dann
wiederum eine zweite Teilschicht der Funktionsschicht abgeschieden
wird. Die zweite Teilschicht wird strukturiert, um eine zweite Ebene
des Sensorelements zu erzeugen. Schließlich werden die beiden Opferschichten abgetragen.
Durch die Verwendung der beiden Teilschichten sowie der beiden Opferschichten
lässt sich der
Bewegungssensor mithilfe gängiger
Verfahren herstellen. Hierdurch lässt sich die Sensorherstellung relativ
einfach in bestehende Prozessabläufe
einbinden.
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Offenbarung der Erfindung
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 und 2 mikromechanische
Beschleunigungssensoren gemäß dem Stand
der Technik,
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3 einen
Querschnitt durch einen wippenförmig
ausgebildeten Beschleunigungssensor gemäß der Erfindung,
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4 eine
Draufsicht auf den Sensor aus 3,
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5 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit
volldifferentieller Auswertung,
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6 einen
Querschnitt durch den wippenförmigen
Sensor aus 5 entlang der Linie C-D,
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7 eine
Draufsicht auf einen weiteren als Wippe ausgeführten Beschleunigungssensor
mit vier spiegelsymmetrisch angeordneten Elektroden,
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8 eine
Draufsicht auf einen weiteren als Wippe ausgeführten Beschleunigungssensor
mit vier rotationssymmetrisch angeordneten Elektroden,
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9 eine
Querschnittsdarstellung durch den Sensor aus 7 und 8 entlang
der Linie A-B,
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10 ein
als Wippenstruktur ausgebildetes Sensorelement mit vier Elektrodenstrukturen
und einem Torsionselement mit reduzierter Federstärke,
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11 ein
als Wippenstruktur ausgebildetes Sensorelement mit vier Elektrodenstrukturen
und einem Torsionselement mit voller Federstärke,
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12 einen
trampolinartig ausgebildeten Beschleunigungssensor mit vier Elektrodenstrukturen,
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13 eine
Querschnittsdarstellung durch den Sensor aus 12 entlang
der Linie E-F,
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14 bis 21 ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Herstellen eines solchen mikromechanischen Beschleunigungssensors.
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Die 1 zeigt
einen herkömmlichen
als Wippe ausgebildeten kapazitiven Beschleunigungssensor. Solche
Sensoren weisen eine zur Waferebene senkrechte Detektionsrichtung
auf. Bei diesem auf einem Feder-Masse-System basierenden Sensorprinzip
bildet eine bewegliche seismische Masse 300 zusammen mit
den auf dem Substrat 100 angeordneten Elektroden 210, 220 jeweils
einen Plattenkondensator. Das Sensorelement 300 ist über eine Biegefeder 410 mit
dem darunter liegenden Substrat 100 verbunden. Das Sensorelement
weist zwei Flügelstrukturen 310, 320 mit
unterschiedlichen Massestrukturen auf. Im vorliegendem Fall ist
die Massedifferenz durch eine Zusatzmasse 305 am rechten
Flügel 310 realisiert.
Wie in der 2 dargestellt ist, erfolgt aufgrund
dieser Massendifferenz eine Auslenkung der Wippe 300 gegenüber dem
Substrat 100, sofern auf den Sensor eine Beschleunigung
mit einer zum Substrat senkrechten Komponente einwirkt. Hierdurch
bedingt ändert
sich der Abstand der Elektroden, was eine Kapazitätsänderung
der beiden Plattenkondensatoren bewirkt, die jeweils durch eine Elektrodenstruktur 210, 220 und
einen Flügel 310, 320 der
Wippe 300 gebildet werden. Diese Kapazitätsänderung
stellt ein Maß für die einwirkende
Beschleunigung dar.
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Die 3 zeigt
einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor, bei
dem die seismische Masse 300 und die Detektionselektroden 210, 220 innerhalb
einer gemeinsamen Funktionsschicht 120 ausgebildet sind.
Dabei ist das Sensorelement 300 beispielhaft in Form einer
um eine Rotationsachse 501 drehbaren Wippe dargestellt.
Die Wippe weist zwei Flügel 310, 320 auf,
die im Vergleich zueinander eine asymmetrische Massenverteilung
in Bezug auf die Rotationsachse 501 aufweisen. Eine solche
Massenverteilung kann dabei beispielsweise mittels einer Zusatzmasse 305 an dem
rechten Flügel 310 realisiert
sein. Wie aus der Querschnittsdarstellung der 3 hervor
geht, sind sowohl der Wippenkörper 300 als
auch die beiden Elektrodenstrukturen 210, 220 als
freitragende, vom Substrat 100 entkoppelte Strukturen realisiert.
Zur Aufhängung
der Wippe dienen zwei beidseitig des Wippenkörpers 300 angeordnete
Federelemente 410, 420, die als Torsionsstäbe ausgebildet
sind. Der Wippenkörper 300 ist
vorzugsweise zweischichtig aufgebaut und weist durch die hier gezeigte
Verbindung der beiden Teilschichten 121, 122 ein
stufenförmiges
Profil auf. Das stufenförmige
Profil ist dabei durch die Integration der beiden Detektionselektroden 210, 220 in
die Funktionsschicht 120 bedingt, da für die im vorliegenden Bei spiel
im Querschnitt rechteckförmigen
Elektroden 210, 220 entsprechende Aussparungen
im Wippenkörper 300 vorgesehen sind.
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Bei
der hier vorzugsweise mikromechanisch ausgebildeten Sensoranordnung
bewirkt eine Beschleunigung in die zu der Oberfläche des Basissubstrats 100 orthogonalen
Richtung 500 eine Rotation des Wippenkörpers 300 im Uhrzeigersinn.
Hierdurch bedingt verkleinert sich der Abstand zwischen der ersten
Elektrode 210 und einem darüber angeordneten Elektrodenbereich 311 des
rechten Flügels 310, während sich
der Abstand zwischen der zweiten Elektrodenstruktur 220 und
dem darunter angeordneten Elektrodenbereich 321 der Wippe
erhöht.
Eine Detektion der Auslenkung des Wippenkörpers 300 erfolgt
beispielsweise mittels Auswertung der Kapazität zwischen den Elektrodenstrukturen 210, 220 und
dem Wippenkörper 300.
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Die 4 zeigt
die Sensoranordnung aus 3 in einer Draufsicht. Dabei
sind auch die beiden die Rotationsachse 501 für das Sensorelement 300 definierenden
Federelemente 410, 420 dargestellt. Die Eigenschaften
der aus den beiden Federelementen 410, 420 gebildeten
Federeinrichtung 400, wie beispielsweise ihre Federhärte, wird
unter anderem durch das Querschnittsprofil, die Länge sowie
das verwendete Material dieser Torsionsstege bestimmt. Jeder der
beiden Torsionsstege 410, 420 ist vorzugsweise über entsprechende
Ankerstrukturen mechanisch an das Basissubstrat 100 angekoppelt
(hier nicht gezeigt). Wie in der 4 dargestellt
ist, erstrecken sich die beiden Elektrodenstrukturen 210, 220 vorzugsweise über die
gesamte Breite des Sensorelements 300. Hierdurch wird eine
höhere
Kapazität erreicht,
die eine bessere Detektierbarkeit der auftretenden Kapazitätsänderungen
erlaubt. Jede der beiden im Bereich des Sensorelements 300 freitragend verlaufenden
Elektrodenstrukturen 210, 220 ist über wenigstens
einen Ankerpunkt (hier nicht gezeigt) an das Basissubstrat 100 gekoppelt.
Die Ausbildung der Elektrodenstrukturen 210, 220 im
Bereich des Sensorelements 300 als freitragende und mit
dem Basissubstrat 100 nicht verbundene Stege erlaubt eine gute
mechanische Entkopplung dieser Komponenten und des Sensorelements 300 von
externen mechanischen Einflüssen.
Durch den freitragenden Verlauf der Elektrodenstrukturen 210, 220 und
den damit verbundenen räumlichen
Abstand in Bezug auf das Basissubstrat 100 ist auch eine
weitest gehende elektrische Entkopplung dieser Strukturen 210, 220 vom Basissubstrat 100 realisiert.
Dies erlaubt die Realisierung eines Sensors mit hoher Empfindlichkeit.
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Durch
eine in Form von zwei beidseitig der Rotationsachse angeordneten
und miteinander verbundenen Teilelektroden 210, 220 gebildete
Detektionselektrode lässt
sich eine Kompensation unerwünschter
z-Bewegungen realisieren, die beispielsweise durch Anregung von
Störmoden
auftreten können.
Ferner kann hiermit auch die Kapazität des Systems erhöht werden,
was eine bessere Auswertung ermöglicht.
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Um
die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zu erhöhen, kann
die Auswertung einer durch eine Auslenkung des Sensorelements 300 bedingte
Kapazitätsänderung
auch differentiell erfolgen. Hierzu können, wie in der 5 beispielhaft gezeigt
ist, entsprechende Elektrodenstrukturen 210, 220, 230, 240 symmetrisch
zur Rotationsachse 501 an beiden Flügeln 310, 320 des
Sensorelements 300 angeordnet werden. Durch Anordnung der
Elektrodenstrukturen 210, 220, 230, 240 ergibt
sich das in der 6 gezeigte Querschnittsprofil
des Sensorelements 300 entlang der Linie C-D. Dieses Profil
bzw. die Anordnung der entsprechenden Elektrodenstrukturen kann
dabei abhängig
von der jeweiligen Anwendung variieren. Durch die Realisierung jedes Elektrodenpaares
als zwei Teilelektroden auf beiden Seiten der Drehachse 501 ist
eine Kompensation unerwünschter
z-Bewegungen, beispielsweise durch Anregung höherer Störmoden, bereits bei einer Elektrode
möglich.
Dadurch sind eine bessere Offsetstabilität und reduzierte Empfindlichkeitsfehler
des Sensors zu erwarten.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur differentiellen Auswertung des Sensorsignals bietet die in der 7 gezeigte
Anordnung der Elektrodenstrukturen 210, 220, 230, 240.
Hierbei sind die jeweils aus derselben Teilschicht 121, 122 der
gemeinsamen Funktionsschicht 120 gebildeten Elektrodenstrukturen 210, 220 und 230, 240 bezüglich der
Drehachse 501 spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet,
wobei die jeweils zusammen gehörenden
Teilelektroden 210, 240 und 220, 230 über Kreuz
miteinander verschaltet sind. Die 7 veranschaulicht
ferner die Möglichkeit,
die Torsionsstege durch entsprechend geformte Einschnitte in dem
Sensorkörper 300 zu
verlängern bzw.
den Platzbedarf der entsprechenden Federelemente 410, 420 außerhalb
des Sensorelements zu reduzieren.
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Eine
weitere Anordnung der vier Elektrodenstrukturen 210, 220, 230, 240 zeigt
die 8. Hierbei sind die jeweils aus derselben Teilschicht 121, 122 der
gemeinsamen Funktionsschicht 120 gebildeten Elektrodenstrukturen 210, 220 und 230, 240 in
Bezug auf die durch die beiden Torsionsstege 410, 420 vorgegebene
Mitte des Wippenkörpers 300 rotationssymmetrisch
zueinander angeordnet, wobei die jeweils zusammen gehörenden Teilelektroden 210, 220 und 230, 240 bezüglich der
Drehachse 501 spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet
bzw. miteinander verschaltet sind. Wie auch bei der Anordnung aus
der 7, erfolgt die Auswertung der durch eine Auslenkung
des Wippenkörpers
bedingte Kapazitätsänderung
auch in der Anordnung der 8 volldifferentiell.
Aufgrund des höheren
Symmetriegrades der mechanischen Struktur sind Vorteile hinsichtlich
Vermeidung einer Kippbewegung senkrecht zur eigentlichen Kippachse 501 zu
erwarten. Dies trifft auch auf das Verhalten des Sensors bei Drehbeschleunigungen
zu. Das ist insbesondere der Fall, wenn die Dicke und damit die
Massenverhältnisse
der unteren und der oberen Teilschicht 121, 122 unterschiedlich
ausfallen, was sich unter Umständen
prozesstechnisch nicht ganz vermeiden lässt. Hingegen könnten sich Verbiegungen
aufgrund der überkreuzten
Anordnung der Elektroden bei dem Sensor aus 7 weniger stark
auf die Sensorperformance auswirken.
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Zur
weiteren Verdeutlichung zeigt die 9 eine Querschnittsdarstellung
der Sensoranordnung aus 7 entlang der Linie A-B. Dabei überlappt
der den ersten Elektrodenbereich 311 bildende Teil des längeren Flügels 310 der
Wippenstruktur 300 die darunter liegende erste Elektrodenstruktur 210,
während der
aus der ersten Teilschicht 121 gebildete und den dritten
Elektrodenbereich 331 bildende untere Teil des Flügels 310 sich
unterhalb der dritten Elektrodenstruktur 230 befindet.
Eine Auslenkung des Wippenkörpers 300 aufgrund
einer zum Basissubstrat 100 senkrechten Beschleunigung
in Richtung 500 würde im
vorliegenden Fall eine Zunahme der Kapazität zwischen dem Wippenkörper 300 und
der ersten Elektrodenstruktur 210 und eine Abnahme der
Kapazität
zwischen dem Wippenkörper 300 und
der dritten Elektrodenstruktur 230 bewirken.
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Die
folgenden beiden 10 und 11 verdeutlichen
die Möglichkeit,
mithilfe des zweischichtigen Aufbaus der Funktionsschicht 120 verschiedene
Federstärken
der Federelemente 410, 420, 430, 440 zu
erzeugen. Dabei zeigt die 10 eine
perspektivische Ansicht der Komponenten des wippenförmig ausgebilde ten
Beschleunigungssensors aus den 5 und 6.
Die Federelemente 410, 420 sind bei der in der 10 gezeigten
Anordnung lediglich aus der ersten Teilschicht 121 gebildet, während die
Anordnung nach 11 aus beiden Teilschichten 121, 122 der
Funktionsschicht 120 aufgebaute Federelemente 410, 420 aufweist.
Da die Federstärke
eines Federelementes unter anderem von seinem Querschnittprofil
abhängt,
lassen sich mithilfe der reduzierten Federdicke besonders weiche
Federn realisieren, die wiederum Vorteile hinsichtlich Sensorkern-Flächenbedarf
bzw. Empfindlichkeit bieten. Ferner können damit auch sehr empfindliche Sensoren
realisiert werden. Die Reduktion der Federdicke erlaubt es ferner
die Federelemente breiter auszubilden. Durch breitere Federelemente
last sich hingegen ein möglicher
Einfluss von Prozessstreuungen auf die Feder-Eigenschaften reduzieren.
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Andererseits
können
mithilfe der dickeren Federelemente 410, 420 der
Sensoranordnung aus 11 unerwünschte translatorische Auslenkungen der
Wippe 300 in z-Richtung 500 reduziert werden, die
sich beispielsweise nachteilig auf den Empfindlichkeits- oder den
Nullpunktsfehler erweisen können.
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Eine
weitere Anpassung der Federstärke bzw.
weiterer Eigenschaften der Federeinrichtung 400 der Sensoranordnung
lässt sich
durch Variation der Breite und der Länge der Federelemente erreichen.
Durch Kombination dieser Möglichkeiten
können
die Eigenschaften des Feder-Masse-Systems beliebigen Anforderungen
angepasst werden.
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Das
anhand der vorhergehenden Figuren gezeigte erfindungsgemäße Konzept
ist ebenfalls auf eine symmetrische Sensorstruktur, wie beispielsweise
ein lediglich translatorisch auslenkendes Trampolin, übertragbar.
Die 12 zeigt beispielhaft einen solchen Beschleunigungssensor
in einer Draufsichtdarstellung. Der rechteckförmig ausgebildete Sensorkörper 300 setzt
sich aus vier Segmenten bzw. Flügeln 310, 320, 330, 340 zusammen,
die ebenfalls im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sind. Die einzelnen
Segmente sind durch Aussparungen voneinander getrennt, in denen
jeweils ein Federelement 410, 420, 430, 440 verläuft. Die
einzelnen Segmente 310, 320, 330, 340 sind
lediglich über
Stege 312, 322, 332, 342 miteinander
verbunden, die gleichzeitig als Ankerpunkte für die Federelemente dienen. Die
vier Federelemente 410, 420, 430, 440 münden sternförmig in
einen zentralen Aufhängungspunkt 101 des
trampolinartig geform ten Sensorkörpers 300,
der beispielsweise als ein Befestigungssockel ausgebildet sein kann
(hier nicht dargestellt). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind einander
zugeordnete Elektrodenstrukturen überkreuzt miteinander verschaltet,
wobei die beiden eine gemeinsame Kapazität darstellenden Elektroden 210, 240 in
der unteren Teilschicht 121 der Funktionsschicht 120 und die
beiden anderen ebenfalls eine gemeinsame Kapazität darstellenden Elektrodenstrukturen 220, 230 in
der oberen Teilschicht 122 der Funktionsschicht 120 gebildet
sind. Die gemeinsame Kapazität
darstellenden Elektrodenstrukturen 220, 230 bzw. 210, 240 können jedoch
auch in verschiedenen Teilschichten 121, 122 der
gemeinsamen Funktionsschicht 120 ausgebildet sein. Durch
eine gleichmäßige Verteilung
der Massen bzw. auf das System einwirkenden Drehmomente kann die
Auslenkung des trampolinartigen Sensorelements 300 nur
auf die in Bezug auf die Oberfläche
des Basissubstrats 100 orthogonale Richtung 500 eingeschränkt werden.
Hierdurch ist eine sehr genaue Messung der Beschleunigung in der
jeweiligen Richtung möglich.
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Die 13 zeigt
einen Querschnitt durch die in der 12 gezeigte
Sensoranordnung. In der Schnittdarstellung wird der Profilverlauf
des trampolinartig geformten Sensorkörpers 300 entlang
der Linie E-F sowie die Anordnung der jeweiligen Elektrodenstrukturen 210, 220 verdeutlicht.
Durch diese Anordnung der Komponenten wird bei einer zur Oberfläche des
Basissubstrats 100 orthogonal wirkenden Beschleunigung
aufgrund einer entsprechenden Bewegung des Sensorkörpers 300 der
Abstand zwischen der ersten Elektrodenstruktur 210 und
dem darüber
liegenden Flügel 310 verringert,
während sich
der Abstand zwischen der zweiten Sensorstruktur 220 und
dem darunter liegenden zweiten Flügel 320 vergrößert. Hierdurch
kann eine volldifferentielle Auswertung der Auslenkung erfolgen.
Wie aus der Schnittdarstellung der 13 ferner
hervorgeht, ist die gesamte Anordnung lediglich aus den beiden Teilschichten 121, 122 der
Funktionsschicht 120 gebildet, wobei das Federelement 410 im
folgenden Beispiel lediglich aus der unteren Teilschicht 221 gebildet
ist.
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In
den folgenden 14 bis 21 wird
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
näher beschrieben,
wobei die aus den 3 und 4 bekannte
Sensoranordnung mit Hilfe bekannter Techniken hergestellt wird.
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Die 14 zeigt
das Basissubstrat 100, auf dem bereits eine erste Opferschicht 110 erzeugt
wurde. Als Basissubstrat 100 dient im vorliegenden Beispiel
ein Siliziumwafer. Die erste Opferschicht 110 wurde beispielhaft
durch Abscheidung eines Oxids in einer geeigneten Dicke erzeugt.
Mit Hilfe eines geeigneten Abscheideverfahrens wird zunächst die
erste Teilschicht 121 der Funktionsschicht 120 auf
der Oxidschicht 110 in einer geeigneten Dicke erzeugt. Dies
kann beispielsweise durch epitaktisches Abscheiden einer Polysiliziumschicht
erfolgen. Um eine vorgegebene Schichtdicke zu erhalten, kann anschließend ein
Planarisierungsschritt durchgeführt werden,
bei dem die erste Teilschicht 121 beispielsweise mittels
eines chemisch-mechanischen Abtrageverfahrens (CMP) abgetragen wird.
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Sofern
die erste Teilschicht 121 als eine Halbleiterschicht erzeugt
wurde, kann eine Dotierung der Halbleiterschicht zur Erzeugung einer
Leitfähigkeit
durchgeführt
werden. Dies kann mittels Implantations- oder Diffusionsprozesse
erfolgen. Den entsprechend gebildeten Schichtstapel zeigt die 15.
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Im
Folgenden werden die Strukturen der unteren Ebene 301 des
Sensorelements 300 sowie die aus derselben Teilschicht 121 gebildete
erste Elektrodenstruktur 210 erzeugt. Hierzu wird die Teilschicht 121 beispielsweise
mittels eines geeigneten fotolithografischen Strukturierungsverfahrens
in vorgegebenen Bereichen bis auf die erste Opferschicht 110 abgetragen.
Bei einem fotolithografischen Verfahren werden die gewünschten
Strukturen zunächst in
einer Lackschicht erzeugt, die nach Entwicklung und selektiver Abtragung
der belichteten bzw. der unbelichteten Bereiche als Maske für einen Ätzprozess zum Übertragen
der Strukturen in die darunter liegende Schicht dient. Bei der Strukturierung
wird ein in der Sensoranordnung als erste Elektrode dienender Block 210 räumlich vollständig von
der unteren Ebene 301 des Sensorelements 300 abgetrennt.
Einen entsprechend strukturierten Schichtstapel zeigt die 16.
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In
einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird eine zweite Opferschicht
auf der Oberfläche
des in 16 gezeigten Schichtstapels
erzeugt. Dies erfolgt vorzugsweise durch Abscheiden eines Oxids. Um
eine bessere Abscheidung des Oxids in den Grabenstrukturen zu erreichen,
können
diese zuvor gesondert mit Oxid gefüllt werden, beispielsweise
durch thermisches Oxidieren. Einen entsprechenden Schichtstapel
mit einer erzeugten zweiten Oxidschicht zeigt die 17.
Da die beiden Opferschichten 110, 130 nur vorzugsweise
aus dem selben Oxidmaterial bestehen und daher nicht grundsätzlich eine homogene
Schicht bilden müssen,
ist der Übergang zwischen
ihnen mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
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Um
eine Verbindung zwischen der in der ersten Teilschicht 121 ausgebildeten
unteren Ebene und der durch Abscheidung und Strukturierung der zweiten
Teilschicht 122 noch zu erzeugenden oberen Ebene des Sensorelements 300 zu
erzeugen, wird noch vor der Abscheidung der zweiten Teilschicht 122 in
einem separaten Strukturierungsschritt die zweite Opferschicht 130 in
dafür vorgesehenen
Bereichen abgetragen. Dies kann beispielsweise mittels eines fotolithografischen
Verfahrens erfolgen. Wie in der 18 gezeigt
ist, wird das Oxid im vorliegenden Beispiel in drei Bereichen 131, 132, 133 bis
zu der darunter liegenden ersten Teilschicht 121 abgetragen.
Hingegen verbleibt das Oxid als Trennschicht in dem Bereich 135 oberhalb
der ersten Elektrodenstruktur 210 sowie in dem Bereich 134 als
Unterlage für
die noch zu bildende zweite Elektrodenstruktur 220.
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In
einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird die zweite Teilschicht 122 der
Funktionsschicht 120 auf der strukturierten zweiten Oxidschicht 130 erzeugt.
Dies erfolgt beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen einer
zweiten Polysiliziumschicht, wobei hierzu auch andere geeignete
Materialien und Abscheideverfahren möglich sind. Um eine vorgegebene
Schichtdicke der zweiten Teilschicht 121 einzustellen,
kann dabei ein Planarisierungsschritt, beispielsweise mittels eines
chemisch-mechanischen Abtrageverfahrens (CMP) durchgeführt werden.
Die 19 zeigt einen Schichtstapel mit der zweiten Teilschicht 122 nach
dem Planarisieren. Dabei bilden die beiden Teilschichten 121, 122 an
den zuvor freigelegten Stellen 131, 132, 133 der
ersten Teilschicht 121 vorzugsweise eine durchgehende Schicht.
Dies ist durch die gestrichelte Linie angedeutet.
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Im
folgenden Verfahrensschritt wird die zweite Ebene des Sensorelements 300 sowie
die zweite Elektrodenstruktur 220 definiert. Dies erfolgt
durch einen Strukturierungsschritt, bei dem die zweite Teilschicht
vorzugsweise mittels eines fotolithografischen Strukturierungsverfahrens
in vorgegebenen Bereichen bis auf die zweite Opferschicht 130 abgetragen
wird. Zuvor kann in einen Dotierungsschritt eine gewünschte Dotierung
der zweiten Teilschicht 122 erreicht werden. Die 20 zeigt
eine entsprechend strukturierte zweite Funktionsschicht 122 mit den Strukturen
der zweiten Ebene 302 des Sensorelements 300 sowie
der davon räumlich
separierten zweiten Elektrodenstruktur 220.
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Anschließend erfolgt
die Abtragung der verbleibenden ersten und zweiten Opferschicht 110, 130.
Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines geeigneten isotropen Ätzverfahrens,
bei dem das Oxidmaterial hochselektiv zu dem Material der Teilschichten 121, 122 geätzt wird.
Hierzu können
die Strukturen beispielsweise einer reaktiven Gasphase ausgesetzt werden.
Zur Erleichterung der Abtragung des Oxids unterhalb des Sensorelements 300 bzw.
unterhalb der Elektrodenstrukturen 210, 220 können in
den entsprechenden Strukturen definierte Durchgangsöffnungen
vorgesehen sein, die hier jedoch nicht dargestellt sind. Die 21 zeigt
die Sensoranordnung nach dem Entfernen des Oxidmaterials.
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Um
eine geeignete Aufhängung
des Sensorelements 300 zu realisieren, werden die mit dem Grundkörper des
Sensorelements 300 verbundene Federelemente 410, 420 bereits
bei der Strukturierung der unteren Teilschicht 121 mit
erzeugt, wobei in der 21 nur der erste Torsionssteg 410 angedeutet
ist.
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Das
in der vorhergehenden Beschreibung und den Zeichnungen beispielhaft
gezeigte erfindungsgemäße Sensorkonzept
kann grundsätzlich auch
in anderen Ausführungen
realisiert werden. Beispielsweise können mehr als zwei Teilschichten
zum Aufbau der Funktionsebene und damit auch zum Aufbau der Komponenten
des Beschleunigungssensors verwendet werden. Hierdurch lassen sich
gegebenenfalls komplexere Profile des Sensorelements erzeugen. Ferner
sind auch Verfahren möglich,
bei denen der Grundkörper
des Sensorelements und die Elektrodenstrukturen unabhängig voneinander
strukturiert werden.