微机械Z惯性传感器及其制造方法与流程

本发明涉及一种微机械z惯性传感器。本发明还涉及一种用于制造微机械z形惯性传感器的方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明的任务是，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发明。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发明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

本发明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惯性传感器100的实施方式的一个俯视图和三个截面视图。在此示出通过截平面a-a,b-b和c-c的三个强烈简化截面视图。在此可看到，现在扭转弹簧22被机械地附接到起加固作用的弹簧元件23,24上，其中，弹簧元件23,24借助附接元件25与衬底10连接。由于扭转弹簧22附接到起加固作用的弹簧元件23,24上，扭转弹簧22沿x方向的运动被阻止，然而同时仍然给出扭转弹簧22沿z方向的弹性。

以该方式有利地实现，根据弹簧元件23,24的设计而定使扭转弹簧22垂直于扭转轴线沿x方向的偏转限定地变困难或者说被阻止。在此，弹簧元件23,24沿z方向具有高度，该高度限定地为小于扭转弹簧22的最大高度的一半，优选约为扭转弹簧22的高度的三分之一，更优选地约为十分之一。

在此，弹簧元件23,24优选在扭转轴线附近固定在扭转弹簧22上或者空出的振动质量上。借助附接元件25将弹簧元件23,24固定在衬底10上。以该方式，垂直于衬底平面的弹簧刚度是低的，而(衬底平面中的)横向刚度是高的。

在一个未在附图中示出的实施方式中可以设置，弹簧元件23,24这样布置，使得它们至少部分地或者也完全处于可运动的mems结构21下方，由此支持了对于微机械z惯性传感器的节约面积的安装方式。

图4示出所提出的微机械z惯性传感器100的另一实施方式的俯视图。在优选可以被使用在非常小和灵敏的z传感器中的该变型方案中，弹簧元件23,24构造有彼此正交构造的区段。所述弹簧元件23,24在中央借助附接元件25固定在衬底10上。

以该方式，在几何方面实现非常长的弹簧元件23,24，这些弹簧元件提供扭转弹簧22沿z方向的更好弹性。结果，以该方式在沿z方向的弹性改进的情况下提供了扭转弹簧22沿x方向的加固。

在图4中示出的具有弹簧元件23,24的微机械z惯性传感器100的变型方案中还可看到，这些弹簧元件具有桁架式的加强结构26。然而显然该变型方案仅是示例性的并且也可以考虑弹簧元件23,24内的其它加强结构26，这些加强结构可以例如回曲状地、面状地、倒圆地等(未示出)构造。

优选，起加固作用的弹簧元件23,24构造在衬底10与厚的微机械功能层20之间的多晶硅层12中。优选，在相同平面中制造固定的对应电极，使得以制造所提出的微机械z惯性传感器的这种方式能够实现有效的资源充分利用。

在微机械z惯性传感器100的未在附图中示出的另一实施中，弹簧元件23,24也可以构造在厚的微机械功能层20上方。

弹簧元件23,24的另一变型方案设置，这些弹簧元件附接到扭转弹簧22的不同侧上。例如可以设置，将弹簧元件23附接在扭转弹簧22的下侧上而将弹簧元件24附接在扭转弹簧22的上侧上。以该方式，弹簧元件23,24关于摆臂的z轴线处于摆臂重心的高度上。这通过以下实现：在厚的微机械功能层20上方和下方制造弹簧元件23,24。结果，由此可以提供扭转弹簧22的更好抗扭刚度。

结果，由此实现，扭转弹簧22的一个端部与基本构造在微机械功能层20上方的弹簧装置23,24的一部分连接，而扭转弹簧22的另一端部与基本构造在微机械功能层20下方的弹簧装置23,24的一部分连接。

有利地，所提出的微机械z惯性传感器可以被用于所有类型的z加速度传感器，其中，尤其可以在具有横向负载的z加速度传感器中最大程度避免粘接效应。

图5示出所提出的用于制造微机械z惯性传感器100的方法的原理流程。

在步骤200中，提供构造在微机械功能层20中的可运动的mems结构21。

在步骤210中，提供与可运动的mems结构连接的扭转弹簧22。

在步骤220中，这样提供与扭转弹簧22连接的弹簧装置23,24，使得可限定地阻止扭转弹簧22沿正交于mems结构21的敏感方向的偏转。

尽管根据具体实施例先描述了本发明，然而本领域技术人员也可以先不实现或仅部分实现公开的实施方式，不会偏离本发明的核心。