专利名称：微机械结构和用于制造微机械结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的微机械结构。
背景技术：
这样的结构通常是公知的。例如由文献DE 197 19 779 Al已知一种具有一通过悬挂弹簧可运动地悬挂在衬底上的感振质量的加速度传感器。在加速度传感器加速时，在感振质量上作用惯性力，惯性力使得感振质量相对于衬底偏移。偏移的程度借助检测装置测量。检测装置包括一由相对衬底固定的固定电极和固定在感振质量上的配对电极组成的梳形电极结构。为了测量该偏移，对固定电极和配对电极之间的电容量的变化进行分析处理。感振质量、悬挂弹簧和配对电极在这样的结构中构造在一个唯一的多晶硅功能层(在下面被称为第一功能层)中，使得这些结构始终相互并排地布置。一个由薄多晶硅制成的带状导线层用于电接触，该带状导线层构造在衬底和感振质量之间并且通过绝缘氧化物与衬底晶片分开。为了制造微机械结构，在文献DE 10 2007 060 878 Al中还建议，使用一个另外的多晶硅功能层(在下面称为第二功能层)。文献DE 10 2009 000167 Al例如公开了一种加速度传感器，它借助两个分开的功能层构成，而由文献DE 10 2009 000 345 Al公开了一种用于测量转速的具有科里奥利元件的转速传感器，该转速传感器借助两个分开的功能层构成。转速传感器在这里具有一个第一和一个第二科里奥利元件，它们通过一个耦合弹簧相互连接并且借助驱动装置被激励平行于第一轴线反相振动，其中，第一和第二检测装置检测由在存在转速时作用在科里奥利元件上的科里奥利力引起的第一和第二科里奥利元件的偏移，使得第一检测装置的第一检测信号和第二检测装置的第二检测信号之差取决于科里奥利力并且由此也取决于转速传感器的转速。
发明内容
按照并列权利要求的按照本发明的微机械结构和按照本发明的用于制造微机械结构的方法相对于现有技术具有优点，即实现了更紧凑且更刚性的结构。可运动的质量块的第一部分区域在衬底和设置用于悬挂的耦合弹簧之间的布置具有优点，即微机械结构的面积需求被减小并且由此降低了制造费用。还通过第一部分区域优选实现可运动的质量块的第二部分区域的耦合，这些第二部分区域布置在耦合弹簧的高度并且因此必然在耦合弹簧的区域中彼此被分开。由此实现了可运动的质量块的加强，使得不希望的干扰模式向更高频率移动并且由此相对于现有技术提高了微机械结构的振动强度。可运动的质量块优选是感振质量、科里奥利元件或用于科里奥利元件的驱动元件。按照本发明的微机械结构尤其是包括MEMS结构兀件(Micro Electro Mechanic System),它在一个半导体制造工艺中被制成。衬底优选包括半导体材料、尤其是硅，它为了形成可运动的质量块和耦合弹簧被相应地结构化。该结构化在这里优选在光刻、蚀刻、沉积和/或键合方法的范围内实现。优选地，微机械结构具有一个由薄的多晶层制成的带状导线层，它用于电接触并且构造在衬底和可运动的质量块之间并且通过绝缘的氧化物与衬底分开。本发明的有利的设计方案和扩展方案可由从属权利要求以及参照附图的说明得出。按照一种优选的实施方式，所述微机械结构具有一第一功能层和一第二功能层，其中，该第一和第二功能层沿着竖直方向这样地相互错开，使得第一功能层沿着竖直方向部分地布置在衬底和第二功能层之间，其中，第一部分区域在第一功能层中构成并且耦合弹簧在第二功能层中构成。以有利的方式微机械结构由两个功能层构成，其中，尤其是可运动的质量块不仅由第一层的元件(第一部分区域)而且由第二层的元件(第二部分区域)组合而成。以该方式能够实现比较刚性的可运动的质量块的结构，它同时以所谓的位于内部的耦合弹簧悬挂。换言之:耦合弹簧沿着主延伸平面不是固定在可运动的质量块的最外面的边缘区域上，而是布置在可运动的质量块的最外面的边缘区域内部，从而实现了特别节省面积的微机械结构。第一和/或第二功能层优选分别具有在I和50微米的厚度。按照一种优选的实施方式，可运动的质量块的第二部分区域在第二功能层中构成并且耦合弹簧直接作用在第二部分区域上。由此以有利的方式可以实现在比较小的镜片面积上达到所希望的质量。第一部分区域通过第二部分区域尤其是间接地连接到耦合弹簧上。按照一种优选的实施方式，第一部分区域和第二部分区域在一个重叠区域中沿着竖直方向相互地重叠并且在这里第一和第二功能层在重叠区域中直接相互固定地连接或者间接地通过中间层相互固定地连接，从而实现了比较刚性且坚固的可运动的质量块结构。以有利的方式由此进一步提高了微机械结构的振动强度，因为不希望的干扰模式的频谱通过较高的刚度向着较高的频率移动。尤其是由此增加了与期望的使用模式的距离。按照一种优选的实施方式，微机械结构具有至少一个固定电极，它平行于主延伸平面延伸并且沿着竖直方向布置在第一部分区域和衬底之间，其中，固定电极和第一部分区域形成一板式电容器结构。在第一功能层中构成的第一部分区域以有利的方式不仅用于在耦合弹簧的区域中连接和加强可运动的质量块的在第二功能层中构成的第二部分区域，而且附加地也用作相对衬底固定的固定电极的配对电极。以该方式实现了微机械结构的结构空间特别紧凑的实现方式，因为其中可运动的质量块通过耦合弹簧被悬挂的连接区域和其中可运动的质量块相对于衬底的运动被电容地检测的检测区域能够沿着竖直方向相互地重叠。优选地，固定电极构造在由薄的多晶体层制成的带状导线层中，它通过绝缘的氧化物与衬底分开。带状导线层优选具有在0.2和1.0微米之间、特别优选基本上0.5微米的厚度。尤其是微机械结构具有至少两个相互相邻的并且相互电绝缘的固定电极，以便借助沿着竖直方向的重叠面积的变化来检测可运动的质量块平行于主延伸平面的偏移。按照一种优选的实施方式，微机械结构具有至少一个与衬底连接并且构造在第二功能层中的止挡弹簧，其中，可运动的质量块的第一部分区域的构造在第一功能层中的止挡区域沿着竖直方向布置在止挡弹簧和衬底之间并且止挡弹簧与可运动的质量块间隔开。以有利的方式，止挡弹簧的一个指向可运动的质量块的自由突出的端部不仅垂直而且平行于主延伸平面与可运动的质量块稍微间隔开并且不是与可运动的质量块连接。构造为止挡元件的止挡弹簧具有优点，即可运动的质量块相对于衬底的最大可能的偏移受到限制，以便阻止在偏移过大时损坏微机械结构。止挡元件作为弹簧弹性的弹簧元件的构成具有优点，即可运动的质量块在止挡到止挡元件上时不时突然被制动，而是通过止挡弹簧的弯曲至少部分地吸收可运动的质量块的动能并且可运动的质量块由此被较缓慢地制动。按照一种优选的实施方式，所述微机械结构是一加速度传感器的部分并且可运动的质量块包括一通过外部的加速力相对于衬底可偏移的感振质量块。加速度传感器以该有利方式这样地被构成，即可感测平行于主延伸平面的加速度，因为在这种情况下可运动的质量块由于惯性力平行于主延伸平面相对于衬底偏移并且在固定电极和第一功能层中的作为配对电极的第一部分区域之间的重叠面积变化。重叠面积的变化然后导致可电分析处理的电容量变化。变换地也可想到，检测感振质量块垂直于主延伸平面的偏移，以便检测垂直于主延伸平面的加速度。在这里然后检测和分析处理一个基于在固定电极和第一功能层中的用作配对电极的第一部分区域之间的距离变化的电容变化。按照一种优选的实施方式，微机械结构是转速传感器的部分，其中，可运动的质量块包括一在存在转速时通过科里奥利力相对于衬底可偏移的科里奥利元件和/或可运动的质量块包括一可通过驱动装置驱动作振动的驱动元件，该驱动元件通过驱动弹簧与一在存在转速时通过科里奥利力相对于衬底可偏移的科里奥利元件耦合。微机械结构由此尤其是形成这样的转速传感器的一部分，它被构造为用于检测平行于主延伸平面的转速。可运动的质量块在这里是科里奥利元件和/或用于科里奥利元件的驱动元件。在这两种情况中有利的是，第一部分区域布置在耦合弹簧和衬底之间，因为由此实现了科里奥利元件和/或驱动框架的结构空间特别紧凑且刚性的构造，由此可实现成本低廉的制造和高的振动强度。还有利的是，用于检测科里奥利元件的偏移或用于监控驱动元件的驱动振动的检测电极构造在相应的第一部分区域中，以便减小进一步的面积需求。驱动元件优选包括一个驱动框架，它至少部分地框住科里奥利元件。按照一种优选的实施方式，微机械结构是致动器的部分并且可运动的质量块包括一可通过驱动装置驱动的致动器装置。由此以有利的方式实现了特别坚固且结构空间紧凑的致动器。本发明的另一个主题是用于制造微机械结构的方法，其中，在第一制造步骤中提供衬底，在第二制造步骤中设置第一功能层和在第一功能层中构成可运动的质量块的第一部分区域，在第三制造步骤中设置第二功能层并且在第二功能层中这样地构成耦合弹簧，使得第一部分区域沿着竖直方向布置在衬底和弹簧元件之间。由此能够以有利的方式在使用标准的半导体制造工艺的情况下实现比现有技术更坚固且更紧凑的微机械结构的制造，从而实现特别成本低廉的制造。按照一种优选的实施方式，在第三制造步骤中在第二功能层中构成可运动的质量块的第二部分区域和/或在一个在第二和第三方法步骤之间进行的中间步骤中在第一功能层上布置一中间层并且该中间层这样地被结构化，使得第一部分区域和第二部分区域在一重叠区域中通过该中间层刚性地相互连接。可运动的质量块以有利的方式不仅由第一功能层而且由第二功能层构成，从而能够实现其中设有耦合弹簧的区域的刚性桥接。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中详细描述。其示出:
图1a和Ib不出按照本发明的第一实施方式的构造为加速度传感器的微机械结构的不意视图；图2示出按照本发明的第二实施方式的构造为加速度传感器的微机械结构的示意视图；图3示出按照本发明的第三实施方式的构造为转速传感器的微机械结构的示意视图；和图4a和4b示出按照本发明的第四实施方式的构造为转速传感器的微机械结构的不意视图。在不同的图中相同的部件始终设有相同的附图标记并且因此同样也仅分别命名或提到一次。
具体实施例方式在图1a中示出一个按照本发明第一实施方式的构造为加速度传感器40的微机械结构I的示意性剖视图以及在图1b中示出其示意性的俯视图。该微机械结构I包括一衬底2和一相对于衬底2可运动地悬挂的可运动的质量块3。可运动的质量块3借助耦合弹簧4弹簧弹性地固定在相对衬底固定的衬底锚定装置31上。可运动的质量块3包括一构造在微机械结构I的第一功能层10中的第一部分区域5和一构造在微机械结构I的第二功能层20中的第二部分区域6。第二部分区域6作为框架元件工作，耦合弹簧4直接作用在该框架元件上。耦合弹簧4优选被构造为U形弹簧，它们允许可运动的质量块3平行于衬底2的主延伸平面100运动。耦合弹簧4还被构造为位于内部的弹簧结构。换言之:耦合弹簧4沿着主延伸平面100基本上由构造为框架的第二部分区域6框住或者说包围，从而实现尽可能结构空间紧凑的布置。第一和第二部分区域5、6在它们的重叠区域7中沿着一个相对于主延伸平面100垂直的竖直方向101刚性地相互连接，例如通过一构造为氧化层的在第一与第二功能层10、20之间的中间层30。微机械结构I还具有固定电极8、8’，它们构造在一位于第一功能层10和衬底2之间的带状导体平面中。优选地，两个并排布置的固定电极8、8’沿着竖直方向101至少部分地与第一部分区域5重叠，从而第一部分区域5的部分作为固定电极8、8’的配对电极工作并且实现一个由固定电极和配对电极组成的板式电容器结构。优选地，可运动的质量块3具有一作为配对电极工作的第一部分区域5，该第一部分区域沿着竖直方向101布置在一耦合弹簧5和两个彼此相邻的且相互电绝缘的固定电极8、8’之间。当现在一个加速度沿着主延伸平面100作用在微机械结构I上时，可运动的质量块3相对于衬底2由于惯性力沿着主延伸平面100偏移。在可运动的质量块3相对于衬底2的这种偏移中，在其中一侧在该一个固定电极8和配对电极之间以及在另一侧在相邻的另一个固定电极8’和配对电极之间的相应的重合面积彼此相反地变化，从而也可检测到相反的电容变化并且可在差动分析的范畴中确定可运动的质量块3的偏移。以有利的方式明显减小微机械结构I的面积需求，因为相同的面积区域被用于构成检测装置以及用于布置耦合弹簧。以该方式能够尤其是实现比较大的弹簧元件，它们允许可运动的质量3沿着主延伸平面100以比较大的振幅偏移。此外能够实现板式电容器结构的较大的电容器面积，从而在微机械结构I的空间需求保持不变时实现传感器灵敏性的提高。微机械结构I被制成，其方式是首先提供衬底2，然后将固定电极8、8’布置在衬底2上，接下来沉积和相应地结构化第一功能层10以产生第一部分区域5，最后沉积和相应地结构化第二功能层20以产生第二部分区域6和耦合弹簧4。也可想到，通过微机械结构I可检测一个与竖直方向101平行的加速度。当加速度沿着竖直方向101作用在微机械结构I上时，可运动的质量块3相对于衬底2由于惯性垂直于主延伸平面100偏移。因此在固定电极8、8’和第一部分区域5的作为配对电极工作的区域之间的距离变化，为了确定加速度，该距离变化通过电容变化可通过电容变化检测并且可定量地被分析。在图2中示出一个按照本发明第二实施方式的构造为加速度传感器40的微机械结构I的示意性视图，其中，第二实施方式基本上与根据图1a和Ib示出的第一实施方式相同，其中，区别是按照第二实施方式的微机械结构I具有四个止挡弹簧21。这些止挡弹簧21用于限制可运动的质量块3沿着竖直方向101的最大偏移。每个止挡弹簧21具有一个通过衬底锚定装置31连接到衬底2上的端部和一个指向可运动的质量块3的方向的自由伸出的端部。该自由伸出的端部分别与第一部分区域5沿着竖直方向101间隔开以及与第二部分区域6沿着一个与主延伸平面100平行的方向间隔开。这些止挡弹簧21优选同样构造在第二功能层20中，从而第一部分区域5的一个止挡区域22沿着竖直方向101布置在止挡弹簧21的每个和衬底2之间。该止挡弹簧21在它的自由伸出的端部上具有一个用于止挡区域22的能弹动的配对止挡面。可想到，一旦止挡区域22与止挡弹簧21形成接触，这些止挡弹簧21同时也作为功能弹簧例如用于提高传感器的复位力。在图3中示出一个按照本发明第三实施方式的构造为转速传感器41的微机械结构I的示意性视图。按照第三实施方式的微机械结构I具有两个可运动的质量块3，它们作为科里奥利-元件70、70’工作。可运动的质量块3、3’通过一个科里奥利耦合弹簧弹簧弹性地相互耦合。可运动的质量块3、3’还通过耦合弹簧4、4’分别弹簧弹性地悬挂在一个构造为驱动框架的驱动元件14、14’上。两个驱动框架分别借助另外的耦合弹簧50、50’弹簧弹性地悬挂在衬底2上。微机械结构I还具有梳形驱动器形式的驱动装置12、12’，它们驱动两个驱动框架沿着一个与主延伸平面100平行的振动方向102反相振动。相应的振动由驱动框架通过耦合弹簧4、4’分别传递到可运动的质量块3、3’上。当存在沿着一个与主延伸平面100平行且与振动方向102垂直的感测方向103的转速时，在可运动的质量块3、3’上沿着竖直方向101作用科里奥利力，由此使这些可运动的质量块3、3’反相地向着衬底2的方向偏移或在远离衬底2的方向上偏移。该偏移借助两个相对衬底固定的固定电极8、8’电容地被检测(在图3a出于清楚的考虑不可见)。固定电极8、8’布置在衬底2和相应的可运动的质量块3、3’之间。两个可运动的质量块3、3’中的每个现在包括一个构造在第一功能层10中的第一部分区域5、5’和一个构造在第二功能层20中的第二部分区域6、6’。第一和第二部分区域5、5’、6、6’由此沿着竖直方向101相互错开地布置。第一和第二部分区域5、5’、6、6’还在它们的共同的重叠区域7、7’中刚性地相互连接。耦合弹簧4、4’与可运动的质量块3、3’不同仅在第二功能层20中构成，使得耦合弹簧4、4’能够不受阻挡地在第一部分区域5、5’上延伸。可运动的质量块3、3’现在这样地由第一和第二部分区域5、5’、
6、6’构成，使得第一部分区域5、5’沿着主延伸平面100突出超过第二部分区域6、6’的边缘区域，其中，耦合弹簧4、4’在这些边缘区域中延伸。第一部分区域5、5’的面积由此大于第二部分区域6、6’的面积。第一部分区域5、5’作为固定电极8、8’的配对电极工作，从而固定电极8、8’也相应地可以构造为较大。结果板式电容器结构的板大小较大，而不需为此增大面积需求。板大小的增大有利地用于提高电容量和由此提高传感器的灵敏度。在图4a和4b中示出一个按照本发明第四实施方式的构造为转速传感器41的微机械结构I的示意性视图，其中，第四实施方式基本上与根据图3示出的第三实施方式相同，其中，区别是按照第四实施方式的构造为驱动框架的驱动元件14、14’同样具有在第一功能层10中构成的另外的第一部分区域60、60’。驱动框架的这些另外的第一部分区域60、60’与在第二功能层20中构成的另外的第二部分区域61、61’分别固定地连接。以优选方式，这些另外的第一部分区域60、60’用于加强由图3公开的驱动框架，从而抑制驱动框架的由驱动振动引起的不希望的变形或者至少向着较高的频率移动。转速传感器41的面积需求在这里有利地不增大，因为这些另外的第一部分区域60在竖直方向101上与这些另外的耦合弹簧50、50’不受干扰地重叠。这一点通过以下方式实现，即这些另外的第一部分区域60、60’仅在第一功能层10中构成，而这些另外的耦合弹簧50、50’仅在第二功能层20中构成。在图4b中为了说明示出在图4a中所示的转速传感器41的第一功能层10。可看至IJ，在第一功能层10中仅示出构造为科里奥利元件70、70’的可运动的质量块3、3’的第一部分区域5、5’和构造为驱动框架的可运动的质量块的另外的第一部分区域60、60’。
权利要求
1.微机械结构(I)，具有一包括主延伸平面(100)的衬底(2)和一相对于衬底(2)可运动的质量块(3，14，70)，其中，可运动的质量块(3)通过至少一个耦合弹簧(4，50)弹簧弹性地悬挂，其特征在于，可运动的质量块(3)的至少一个第一部分区域(5，60)沿着一相对于主延伸平面(100)基本上垂直的竖直方向(101)至少部分地布置在衬底(2)和耦合弹簧(4，50)之间。
2.根据权利要求1的微机械结构(1)，其特征在于，所述微机械结构(I)具有一第一功能层(10)和一第二功能层(20)，其中，该第一和第二功能层(10，20)沿着竖直方向(101)这样地相互错开，使得第一功能层(10)沿着竖直方向(101)布置在衬底(2)和第二功能层(20)之间，其中，第一部分区域(5，60)在第一功能层(10)中构成并且耦合弹簧(4，50)在第二功能层(20)中构成。
3.根据权利要求2的微机械结构(1)，其特征在于，可运动的质量块(3)的第二部分区域(6，61)在第二功能层(20)中构成并且耦合弹簧(4，50)直接作用在第二部分区域(6，61)上。
4.根据权利要求3的微机械结构(I)，其特征在于，第一部分区域(5，60)和第二部分区域(6)在一重叠区域(7)中沿着竖直方向(101)相互地重叠并且第一和第二功能层(10，20)在重叠区域(7)中直接相互固定地连接或者间接地通过一中间层(30)相互固定地连接。
5.根据以上权利要求之一的微机械结构(I)，其特征在于，所述微机械结构(I)具有固定电极(8，8’)，这些固定电极平行于主延伸平面(100)延伸并且沿着竖直方向(101)布置在第一部分区域(5，60)和衬底(2)之间，其中，这些固定电极(8，8’)和第一部分区域(5，60)形成一板式电容器结构。
6.根据以上 权利要求之一的微机械结构(I)，其特征在于，所述微机械结构(I)具有至少一个与衬底(2)连接并且构造在第二功能层(20)中的止挡弹簧(21)，其中，可运动的质量块(3，14)的第一部分区域(5，60)的构造在第一功能层(10)中的止挡区域(22)沿着竖直方向(101)布置在止挡弹簧(21)和衬底(2)之间并且止挡弹簧(21)与可运动的质量块(3,14)间隔开。
7.根据以上权利要求之一的微机械结构(I)，其特征在于，所述微机械结构(I)是一加速度传感器(40)的部分并且可运动的质量块(3，14)包括一通过外部的加速力相对于衬底(2)可偏移的感振质量块。
8.根据权利要求1至6之一的微机械结构(1)，其特征在于，所述微机械结构(I)是一转速传感器(41)的部分，其中，可运动的质量块(3，14)包括一在存在转速时通过科里奥利力相对于衬底(2)可偏移的科里奥利元件(70)和/或可运动的质量块(3)包括一可通过驱动装置(12)驱动作振动的驱动元件(14)，该驱动元件通过驱动弹簧(4)与一在存在转速时通过科里奥利力相对于衬底(2)可偏移的科里奥利元件耦合并且借助耦合弹簧(50)悬挂在衬底(2)上。
9.根据权利要求1至6之一的微机械结构(I)，其特征在于，所述微机械结构(I)是致动器的部分并且可运动的质量块(3)包括一可通过驱动装置驱动的致动器装置。
10.用于制造根据以上权利要求之一的微机械结构(I)的方法，其特征在于，在第一制造步骤中提供衬底(2)，在第二制造步骤中设置第一功能层(10)和在第一功能层(10)中构成可运动的质量块(3)的第一部分区域(5，60)，在第三制造步骤中设置第二功能层(20)并且在第二功能层(20)中这样地构成耦合弹簧(4，50)，使得第一部分区域(5，60)沿着竖直方向(101)布置在衬底(2)和弹簧元件(4，50)之间。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，在第三制造步骤中在第二功能层(20)中构成可运动的质量块(3)的第二部分区域(6，61)和/或在一个在第二和第三方法步骤之间进行的中间步骤中在第一功能层(10)上布置一中间层(30)并且该中间层(30)这样地被结构化，使得第一部分区域(5，60)和第二部分区域(6，61)在一重叠区域(7)中通过该中间层(30)刚性地相互连 接。
全文摘要
本发明涉及一种微机械结构，具有一包括主延伸平面的衬底和一相对于衬底可运动的质量块，其中，可运动的质量块通过至少一个耦合弹簧弹簧弹性地悬挂，其中可运动的质量块的一个第一部分区域沿着一相对于主延伸平面基本上垂直的竖直方向至少部分地布置在衬底和耦合弹簧之间。
文档编号G01P15/125GK103213934SQ20131002100
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月21日 优先权日2012年1月23日
发明者J·克拉森 申请人:罗伯特·博世有限公司
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