具有参考电极的微机械z加速度传感器的制作方法

本发明涉及一种电容式微机械z加速度传感器。

背景技术：

1、用于测量加速度和转速的微机械惯性传感器针对在车辆和消费品中的不同应用在批量生产中制造。对于具有垂直于晶片平面的探测方向(z方向)的电容式加速度传感器，常常使用“摆杆结构(wippenstrukturen)”，如示范性地在图1中在俯视图中和在横截面中示出的那样。这些摆杆结构的传感器原理基于弹簧质量系统，在该弹簧质量系统中，在最简单的情况下，能运动的振动质量(在p3层中实现)与固定在衬底上的两个配对电极(p1层，该p1层在衬底的上方布置在绝缘层上，该绝缘层以橙色示出)形成两个板式电容器。振动质量经由至少一个(出于对称性原因通常更确切地说两个)扭转弹簧与衬垫连接。如果质量结构在扭转弹簧的两侧上大小不同，则在z加速度起作用时，质量结构相对于作为转动轴线的扭转弹簧转动。因此，视加速度的符号而定地，电极的间距在一侧上较小，而在另一侧上较大。电容变化是用于起作用的加速度的量度。这些加速度传感器在许多出版物中描述，例如在ep 0244581 a1和ep 0773443 a1中。

2、在图1a中的质量结构中的穿孔一方面用于以简化的方式使传感器结构裸露，如果需要在其下方移除牺牲氧化物，如在表面微机械工艺工序中常见的那样。由于所述穿孔，蚀刻介质、例如气态hf更容易接近牺牲氧化物。另一方面，通过穿孔的适合的数量和尺寸设计，可以在宽泛的范围中对莱尔阻尼(die lehr‘sche)(阻尼量度d)进行修改并且根据期望进行设定。但是，在下文中，为了简单起见省去示出所述穿孔。

3、在加速度传感器的进一步开发中的重要趋势在于对功率参数的改进。在确定的应用中，例如用于耳机的应用，主要是对噪声的降低具有高的重要性。例如在出版物us2014/0270231 a1中描述用于微型化耳机中的加速度传感器的可能的应用。

4、典型的mems加速度传感器的噪声由两个噪声源占主导地位：电子噪声和布朗(机械)噪声。这两个噪声源中的哪个噪声源占主导地位，特定于产品地一方面取决于分析处理电路、即asic并且另一方面取决于mems元件。mems加速度传感器的布朗噪声通过在振动质量与周围的气体粒子之间的统计学碰撞和所造成的动量转移引起。对于能够直线偏转的具有振动质量ms的传感器，作为噪声功率密度得出：

5、

6、其中，a表示加速度，δf表示所观察的频率间隔，kb表示玻尔兹曼常数，t表示温度，d表示莱尔阻尼，并且ω0表示该传感器的角频率。

7、对于根据摆杆原理的z加速度传感器，得出略微更复杂的关联：

8、

9、在此，j表示围绕扭转轴线的惯性矩，masym表示质量不对称性，并且rasym表示质量不对称性的重心与扭转轴线的距离。在不具有质量不对称性的情况下，噪声功率密度发散，因为随后该传感器的机械灵敏度消失。在非常大的质量不对称性的情况下，j近似地以masym*rasym2扩展，使得用于z摆杆的公式随后近似地过渡到用于平移地运动的传感器的上述公式中，区别在于，在平移情况下，整个传感器质量起到降低噪声的作用，但是在z摆杆中只有不对称的质量部分起到降低噪声的作用。这意味着，与平移地、即直线地在z方向上运动的加速度传感器(在下文中也被称为蹦床结构(trampolinstruktur))相比，具有摆杆几何形状的加速度传感器具有由于原理引起的缺点，因为在平移地、即直线地在z方向上运动的加速度传感器中，整个质量有助于机械灵敏度并且因此有助于降低布朗噪声。因此，在相同的传感器面上，能够借助蹦床结构实现在机械噪声方面更好的加速度传感器。

10、图2示出呈摆杆几何形状的加速度传感器的改进版本，如其在出版物de 10 2019216 984 a1中公开的那样。在该传感器中，能运动的结构由两个微机械功能层p2和p3形成，所述微机械功能层由多晶硅制成，此外，为了避免右摆杆端部过早撞击，在外侧区域中的基本间距d1可以选择得比在具有基本间距d0的分析处理电极的区域中略大。通过下述方式增加质量不对称性并且因此增加该传感器的机械灵敏度：在扭转弹簧的左侧上的能运动的结构构造为一种盆(wanne)。然而，该布置在降低机械噪声方面也不像蹦床结构那样高效。此外，在分析处理电极的区域中，在加速度起作用时，仅出现相对小的机械偏转，因为电极区域布置在扭转弹簧附近的环境中。这也导致相对较小的电灵敏度dc/da(每单位加速度的电容变化)，该电灵敏度又直接包含到电子噪声中。这就是说，不仅在机械布朗噪声方面，还在电子噪声方面，摆杆结构都不是最佳的基本布置。摆杆结构的优点主要在于，两个分析处理电容c1和c2通过相同的工艺步骤限定并且可以通过设计完全对称地构造，因此，该基本信号在很大程度上无偏移。由于电极区域此外布置在该传感器的机械锚固部的附近，因此，此外与蹦床结构相比，该传感器对机械应力相对较稳健，因为机械应力原则上可以导致衬底弯曲并且因此导致在分析处理电极的区域中的间距变化并且因此导致偏移信号，即在不存在任何加速度的情况下也不同于零的信号。

11、具有三个微机械功能层并且具有呈蹦床结构型式的振动质量的z加速度传感器由以下出版物已知：b.j.hammond，a.mcneil，r.august和d.koury，"inertial transducerdesign for manufacturability and performance atmotorola,"transducers'03.12thinternational conference on solid-statesensors,actuators andmicrosystems.digest of technical papers(cat.no.03th8664),2003,pp.85-90vol.1,doi:10.1109/sensor.2003.1215259。在该传感器中，弹性地悬挂在四个弹簧上的振动质量平移地在z方向上在底部电极与顶部电极之间运动，该底部电极布置在衬底上，该顶部电极布置在能运动的质量的上方。因此，能够实现差分电容分析处理dc＝c1–c2，在该差分电容分析处理中，一个分析处理电容c1(例如相对于底部电极)在该质量的z偏转的情况下减小，而另一个分析处理电容c2(例如相对于顶部电极)增大。该布置的基本原理以简化的方式在图3a中示出。由于该差分电极布置，该布置在高的电信号(相对于面积)方面是有利的，然而具有严重缺点。振动质量的下侧与底部电极之间的间距(并且因此电容c1)和振动质量的上侧与顶部电极之间的间距(并且因此电容c2)由于生产公差而承受一定的波动(两个间距通过分开的层沉积工艺限定)，使得在批量生产这种类型的传感器时，可以明显地区分分析处理电容c1和c2。因此，在差分分析处理dc＝c1–c2时，得出大的偏移误差。虽然，初始偏移误差可以在结构元件的最终测试时校正，然而，在温度变化和/或机械应力起作用的情况下，间隙通常不是以相同程度发生变化，而是略微不同地发生变化。因此，总而言之，在该布置中，产生差的并且对于许多应用而言不充分的偏移性能。作为另一个挑战，要提到的是该布置的机械稳健性。在高的冲击负载的情况下，振动质量可能在一些情况下撞击无支承的顶部电极并且折断或者至少严重损伤该顶部电极。

12、由出版物us 6892576 b2已知具有两个微机械功能层并且具有呈蹦床结构型式的振动质量的z加速度传感器。在该传感器中，在能运动的质量的上方没有布置顶部电极。在此，更确切地说，差分信号分析处理通过固定参考电容形成。根据现有技术，这种类型的参考电容要么施加在mems芯片的表面微机械层中，要么施加在分析处理asic中。在mems芯片中的布置可以在适合的实施方案中具有如下优点：分析处理电容c1的生产公差的至少一部分也以相同的方式作用到参考电容c2上。图3b和图3c示出在mems芯片中的参考电容的可能的实施方式。图3b示出相对较紧凑的布置，在该布置中充分利用如下情况：氧化物具有通常为大约3.8的介电常数，使得为了示出参考电容，仅需要相对于分析处理电容相当小的附加面积。然而，在这种情况下，分析处理电容c1与参考电容c2之间的一致性绝对不是完美的，因为还总是可能出现穿孔的蚀刻的公差(在图3b的参考电极中不存在这些穿孔，因为否则的话位于该参考电极下方的氧化物会被移除)、氧化物蚀刻(该参考电极面中的多少参考电极面实际上填充有氧化物？)的公差或者所暴露的结构的应力梯度(该应力梯度可以导致所暴露的结构的向上拱曲，使得在分析处理电极的区域中出现经改变的平均基本间距并且因此出现经改变的分析处理电容)的公差。因此，将借助如图3c中所示的布置来实现分析处理电容和参考电容的更好的一致性，在所述布置中，也在参考电容的区域中移除牺牲氧化物。然而，该布置需要可观的附加面积，因为参考电容在此需要与分析处理电容相同的面积。在两个布置3b、3c中，参考电容侧向地与振动质量或分析处理电容间隔开地布置，即导致该传感器的芯片面积的增大。此外，通过分析处理电容和参考电容的侧向间隔开，在两个电极上也可能出现局部不同的例如由于焊接造成的应力效应、温度变化或者使用寿命效应，使得在这种情况下也能够预期明显的偏移误差。

13、综上所述，能够确定，根据现有技术的摆杆几何形状倾向于良好地适合用于对偏移稳定性的高要求，但是在实现低的噪声值方面较不高效。相反，蹦床结构更好地适合用于实现低的噪声值，然而通常在能够实现的偏移稳定性方面具有明显缺陷。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，实现一种紧凑的、低噪声的并且偏移稳定的z加速度传感器，该z加速度传感器不仅实现低的噪声值，还克服在能够实现的噪声值和能够实现的偏移稳定性方面的上述缺点。

2、本发明的核心和优点

3、本发明涉及一种电容式微机械z加速度传感器，所述电容式微机械z加速度传感器具有衬底和层序列，该衬底具有主延伸平面(x,y)，该层序列平行于延伸平面，该层序列由在衬底上方的第一多晶硅层、在第一多晶硅层上方的第二多晶硅层和在第二多晶硅层上方的第三多晶硅层组成。该传感器具有能运动的微机械结构，该能运动的微机械结构具有振动质量(30)，该振动质量能够在垂直于主延伸平面(x,y)的第一方向z上直线地偏转，其中，该振动质量在第二多晶硅层和第三多晶硅层中形成。该传感器具有测量电容，该测量电容在振动质量与测量电极之间形成，其中，该测量电极在第一多晶硅层中形成。该传感器还具有参考电容，该参考电容在下参考电极与上参考电极之间形成，其中，下参考电极在第一多晶硅层中形成并且上参考电极在第二多晶硅层中形成，其中，在第一方向z上看，能运动的微机械结构至少部分地覆盖上参考电极。

4、本发明的核心是用于z加速度传感器的能够直线地在z方向上偏转的振动质量的布置、尤其是蹦床结构的布置，在该布置中，参考电容不布置在振动质量旁边，而是布置在振动质量的下方。为了制造这样的布置，可以使用已知的表面微机械工艺流程，该工艺流程具有三个多晶硅层p1、p2、p3。不仅测量电容、而且参考电容构造在p1层与p2层之间，使得确保与分析处理电极和参考底部电极的间距的良好一致性并且因此确保相关的电容的良好一致性。振动质量由p2层和p3层形成，其中，该振动质量的一部分优选仅构造在p3层中，并且具有与在p2层中的固定式参考电极的至少部分的覆盖部。在该布置中，有利地，面同时用于构成振动质量并且用于实现参考电容，即，该布置特别紧凑并且此外具有在下文中示出的选项和优点。

5、特别优选地，在参考电极的区域中移除牺牲氧化物。由此得出分析处理电容c1与参考电容c2之间的特别好的一致性。因此，分析处理信号dc＝c1–c2理想地几乎无偏移。

6、不仅分析处理电极、而且参考电极布置在与传感器结构的锚固部的小间距中。由此，该传感器变得对机械应力相对较不灵敏。

7、优选地，分析处理电极的第一部分和参考电极的第一部分与该传感器的中心或质量重心具有较大的间距，并且分析处理电极的第二部分和参考电极的第二部分与该传感器的中心或质量重心具有较小的间距。简而言之，电极区域应包围锚固部。由此，传感器变得对机械应力特别不灵敏并且变得特别偏移稳定。

8、自由参考电极可以直接附接在p2层中的结构的锚固部上。该布置是特别紧凑的，并且在参考电极的电触点接通方面是特别简单的，并且在参考电极的用于实现高偏移稳定性的靠近锚固部的布置方面是特别有利的。

9、该传感器可以借助适合的弹簧几何形状并且通过添加用于x探测和y探测的分析处理电极而扩展成三轴传感器。这是特别有利的，因为振动质量同时在所有三个空间方向上对机械噪声起到降低作用。因此，与三个单轴传感器芯在一个芯片上的并排布置相比，可以在显著更小的面积上实现相同的噪声性能，亦或在假设总面积相同的情况下可以实现显著更好的噪声性能。

10、用于x探测和/或y探测的分析处理电极可以与用于z轴线的参考电极具有部分的重叠部(überlapp)。这就是说，除了振动质量与用于z轴线的参考电极重叠的上述可能性之外，还存在如下可能性：x电极指/y电极指与用于z轴线的参考电极重叠。因此也实现特别好的面积利用。

11、此外可能的是，弹簧与用于z轴线的参考电极具有部分的重叠部。因此也实现特别好的面积利用。

12、优选地，该传感器在该衬底上具有振动质量的四个锚固部。因此，可以保证该布置关于x轴线和y轴线的良好对称性。

13、优选地，该传感器具有四个弹簧，所述弹簧将该振动质量与锚固部连接。因此可以保证该布置的良好对称性，此外可以在所有空间方向上有针对性地设定有用模式频率并且可以有效抑制干扰模式。

14、优选地，所述弹簧具有蜿蜒结构，该蜿蜒结构具有多个彼此成角度地布置的弹簧梁。

15、替代地并且特别优选地，所述弹簧具有螺旋结构，该螺旋结构具有多个彼此成角度地布置的弹簧腿或圆形地或者椭圆形地成形的螺旋臂。与x方向和y方向相比，该螺旋形状允许在z方向上的特别高的柔韧性(nachgiebigkeit)，使得在所有三个空间方向上可以相似地构型该传感器的机械灵敏度和/或电灵敏度。

16、该传感器可以非常好地与转速传感器和/或另外的加速度传感器芯一起集成到同一芯片上，因为与在摆杆设计的情况下不同，不需要非常小的电极间隙以实现非常低的噪声值。因此，在蹦床的情况下，可以使用与用于转速传感器和另外的加速度传感器芯的电极间隙相同的电极间隙。这便于工艺整合，因为不同大小的电极间隙的实现将意味着在生产传感器方面的明显更多花费。