Titel

Mikromechanischer Sensor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor. Die vorlie- gende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromecha- nischen Sensors.

Stand der Technik

MEMS-Beschleunigungssensoren mit einer geometrisch symmetrischen Wippen- struktur (d.h. mit auf beiden Seiten einer Symmetrieachse gleich langen Drehar- men) besitzen typischerweise eine unterschiedliche Lochstruktur auf den beiden Seiten, wodurch eine unterschiedliche Massenverteilung erreicht wird. Infolge der unterschiedlichen Massenverteilung der Wippenstruktur kann bei Einwirkung einer Beschleunigung ein Drehmoment entstehen, welches erfasst und ausge- wertet wird.

Vorteilhaft sind konstruktive Varianten mit mehreren Funktionsschichten, die auf einer ersten Seite aus einem Vollmaterial (d.h. mit zwei übereinander angeord- neten Funktionsschichten) und auf der zweiten Seite bis auf einen äußeren Rah- men und/oder anderen Verstärkungselementen nur aus der unteren, in der Regel dünneren, Funktionsschicht bestehen.

Auch für diese Konstruktionsformen besitzen die beiden Seiten der Wippe im Be- reich der seismischen Masse vertikale Löcher. Diese„Perforation“ ermöglicht eine Erleichterung der Prozessführung bei einer Ätzung der Opferschicht. Durch die unterschiedlichen Perforationen auf beiden Seiten kann auch die thermische Empfindlichkeit reduziert werden. Neben der Nutzung unterschiedlich strukturierter aber mechanisch miteinander verbundener Funktionsschichten zur Herstellung von symmetrischen Wippen- strukturen werden mehrere Funktionsschichten auch zur Herstellung von Dif ferential-Kondensatoren in Vertikalanordnung genutzt. Dafür werden diese Funktionsschichten mechanisch und elektrisch getrennt und besitzen unter- schiedliche Anbindungen an das Substrat.

US 2012/0227494 A1 offenbart Beschleunigungssensoren mit asymmetrischen und symmetrischen Wippen auf Basis von zwei Funktionsschichten, die auf einer ersten Seite aus Vollmaterial und auf der zweiten Seite bis auf einen äußeren Rahmen nur aus der unteren, gewöhnlich dünneren Funktionsschicht bestehen. Dafür wird die erste dünnere Funktionsschicht in Richtung Kappe und die struk- turierte dickere Funktionsschicht in Richtung Substrat angeordnet.

US 2015/0041927 A1 offenbart Beschleunigungssensoren mit asymmetrischen Wippenstrukturen auf Basis von zwei Funktionsschichten mit getrennter Substrat- Verankerung zur Herstellung von Differential-Kondensatoren in Vertikalanord- nung.

US 20151/0192603 A1 offenbart Beschleunigungssensoren mit Wippenstruk- turen auf Basis von drei Funktionsschichten, deren spezifisches Federsystem eine unterschiedlich gerichtet vertikale Auslenkung der Masse verursacht und eine Differenzialkondensatoranordnung in doppelter Ausführung ermöglicht. In Richtung Kappe besitzen die beiden Differentialkondensatoren eine gleiche Struktur, sodass damit eine teilweise Kompensation der thermischen Empfind- lichkeit erwartet werden kann.

JP 2015-068866 A offenbart einen Beschleunigungssensor mit einer Wippen- struktur auf Basis von zwei Funktionsschichten, wobei im Anschlagbereich über einer unteren Funktionsschicht pilzförmige, mit dem Substrat verbundene Vertikalanschläge angeordnet sind.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mikromechanischen Sensor mit verbesserten fluiddynamischen Eigenschaften bereit zu stellen. Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromecha- nischen Sensor, aufweisend:

ein Substrat;

ein auf dem Substrat angeordnetes Kappenelement; und

wenigstens ein im Kappenelement angeordnetes auslenkbares Element, wobei innerhalb des Kappenelements ein gegenüber der Umgebung definiert erhöhter Innendruck herrscht; gekennzeichnet durch

ein innerhalb des Kappenelements angeordnetes, nicht mit dem auslenk- baren Element verbundenes Symmetrieelement, welches ausgebildet ist, im Betrieb des mikromechanischen Sensors eine fluiddynamische Symmetrie für das auslenkbare Element bereitzustellen.

Das Symmetrieelement ist dabei ausschließlich dazu vorgesehen, die ganze Anordnung in fluiddynamischer Hinsicht zu symmetrisieren. Vorteilhaft kann dadurch erreicht werden, dass fluiddynamische Effekte für das auslenkbare Element harmonisiert sind. Im Ergebnis wird dadurch erreicht, dass Differenz- drücke innerhalb des Kappenelements möglichst gleichmäßig ausgebildet sind und dadurch eine Betriebscharakteristik des Sensors wesentlich verbessert sein kann.

Auf diese Weise wird für den mikromechanischen Sensor vorteilhaft eine ver- besserte Unempfindlichkeit gegenüber thermischen Effekten realisiert. Im Er- gebnis ist dadurch ermöglicht, dass der Sensor ausschließlich aufgrund von mechanischen Inertialkräften ausgelenkt wird und nicht aufgrund von Kraftwir- kungen, die aufgrund von thermischen Fluideffekten erzeugt wurden.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:

Bereitstellen eines Substrats;

Bereitstellen eines auf dem Substrat angeordneten Kappenelements; Bereitstellten wenigstens eines im Kappenelement angeordneten aus- lenkbaren Elements, wobei innerhalb des Kappenelements ein gegen- über der Umgebung definiert erhöhter Innendruck bereitgestellt wird; und Bereitstellen eines innerhalb des Kappenelements angeordneten, nicht mit dem auslenkbaren Element verbundenen Symmetrieelements, welches ausgebildet wird, im Betrieb des mikromechanischen Sensors eine fluiddynamische Symmetrie für das auslenkbare Element bereitzu- stellen.

Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch ge- kennzeichnet, dass das auslenkbare Element eine Wippe ist. Auf diese Weise wird ein vorteilhafter Anwendungsfall einer fluiddynamischen Symmetrierung für einen z-lnertialsensor bereitgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeich- net sich dadurch aus, dass das Symmetrieelement mittels wenigstens eines An- bindungselements am Substrat fixiert ist. Vorzugsweise wird dies dadurch reali siert, dass das Anbindungselement durch Öffnungen des beweglichen Elements geführt ist und dadurch eine Art„Pilzstruktur“ innerhalb des Kappenelements realisiert wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeich- net sich dadurch aus, dass das Symmetrieelement mittels wenigstens eines An- bindungselements durch einen Rahmen des Kappenelements fixiert ist. Dadurch wird eine alternative Ausführungsform bereitgestellt, welche vorsieht, dass das Symmetrieelement mittels wenigstens eines Anbindungselements, welches durch Öffnungen eines Rahmens des Kappenelements nach außen geführt ist, fixiert ist. Eine designmäßige Vielfalt des mikromechanischen Sensors ist dadurch vorteilhaft unterstützt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist da- durch gekennzeichnet, dass das Symmetrieelement mittels wenigstens eines Anbindungselements am Kappenelement fixiert ist. Dadurch wird eine weitere Realisierungsvariante für die fluiddynamische Symmetrisierungs-Element bereitgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Symmetrieelements Massen zu bei- den Seiten einer Symmetrieachse des auslenkbaren Elements im Wesentlichen identisch sind. Dadurch wird eine spezifische Dimensionierung des Symmetrie- elements realisiert, mit dem die fluiddynamische Symmetrierung optimierbar ist.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sind dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eines aus: Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Drucksensor ist. Dadurch kann das vorgeschlagene Konzept vorteilhaft für unterschiedliche Typen von mikromechanischen Sensoren verwen- det werden.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Ele- mente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu ge- dacht die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Be- zugszeichen eingezeichnet sind.

Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offen- barten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Ver- fahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend den mikro- mechanischen Sensor ergeben und umgekehrt.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch eine Wippenstruktur eines kon- ventionellen mikromechanischen z-lnertialsensors;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des vorge- schlagenen mikromechanischen Sensors von Fig. 1 ; und Fig. 4 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors.

Beschreibung von Ausführungsformen

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine Verbes- serung einer radiometrischen Auslegung für mikromechanische Sensoren bereit- zustellen.

Dies wird durch eine Symmetrierung von fluiddynamisch relevanten Strukturen des Sensors erreicht, wodurch zeitliche Auftriebseffekte in MEMS-Strukturen minimiert werden, die bei Vorliegen einer Wärmequelle entstehen können.

Dadurch können vorteilhaft unerwünschte Änderungen von Sensorparametern, wie z.B. Ausgangs-Offsets, vermieden bzw. wenigstens minimiert werden.

Die genannten Auftriebseffekte entsteht entweder bei asymmetrischen Geome- trien des Sensors durch gleichmäßig einwirkende thermische Effekte und/oder bei symmetrischen Geometrien des Sensors durch unsymmetrisch einwirkende thermische Effekte. Denkbar sind auch Mischformen beider genannten

Varianten.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf MEMS-Elemente, die hermetisch innerhalb eines Kappenelements versiegelt sind, und deren Innendruck sich im Kontinuumsbereich der Fluiddynamik befindet, der dadurch charakterisiert ist, dass Gasmoleküle eher miteinander, als mit den Wänden des Kappenelements interagieren.

Das ist auch der Grund, warum sich im Molekülgefüge ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellt. Wenn die Gase stark verdünnt sind, interagieren die Mo- leküle eher mit den Wänden des Kappenelements und die Dynamik wird von diesen Stößen dominiert. Gaszustände verbreiten sich in so einem Fall nicht über den Sensor. Durch die Anbringung einer symmetrisierenden Struktur wird die lokale Gasdichte beeinflusst und somit genau jener Bereich, in welchem der Sensor arbeitet. Wird bei derartigen MEMS-Elementen das Wärmegleichgewicht gestört, (z.B. durch das Aus- und Einschalten einer benachbarten, elektronisch aktiven

Schaltung), so muss sich ein neues Druckgleichgewicht ausbilden. Ist die

Struktur nicht symmetrisch in seinen fluiddynamisch relevanten Teilen, so kön- nen in der Zeit bis zur Einstellung des neuen Gleichgewichts transiente, fluid- dynamische Effekte beobachtet werden. Im Ergebnis entstehen auf diese Weise an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Sensors aufgrund von unterschied- lichen Erwärmungen unterschiedliche Drücke, die ein Fehlsignal des Sensors bewirken können.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Wippenstruktur eines herkömmlichen mikromechanischen z-Beschleunigungssensors, die für die genannten ungün- stigen Effekte besonders anfällig ist.

Ein weiteres Beispiel eines solchen Effekts sind Kennlinien von mikromechani- schen Sensoren, die mit einer Einlaufdrift behaftet sind, wie sie z.B. bei MEMS- Beschleunigungssensoren auftreten. Derartige Sensoren verwenden in der Regel eine asymmetrische Masse und eine symmetrische Detektionsfläche.

Vorgeschlagen wird, durch Anbringung einer nicht mit der beweglichen Masse verbundenen perforierten Masse, die gesamte Anordnung in fluiddynamischer Hinsicht zu symmetrisieren.

Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Maßnahme erfolgt mit Bezug auf einen typischen z-Beschleunigungssensor für automotive Applikationen. Denkbar ist aber auch, dass die vorgeschlagene Maßnahme für andere, nicht in Figuren dargestellte gekapselte Sensoren verwendet werden kann, die bewegliche mikromechanische Elemente aufweisen und die einen vom Umgebungsdruck unterschiedlichen Innendruck aufweisen.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100 in Form eines z-Beschleunigungssensors. Man erkennt eine um eine Torsionsfeder 10 angeordnete bewegliche Wippenstruktur 20, deren Auslenkung gegenüber Elektroden 30 z.B. kapazitiv erfasst und ausge- wertet wird. Die Wippenstruktur 20 ist hinsichtlich einer Masseverteilung gegen- über der Torsionsfeder 10 asymmetrisch ausgebildet. Man erkennt ein Symme- trieelement 40, welches am Substrat (nicht dargestellt) mittels zweier Anbin- dungselemente 41 fixiert wird. Erreicht wird dies durch Öffnungen in der Wippen- struktur 20, die eine ungehinderte Bewegung der Wippenstruktur 20 ermöglichen.

Die beweglichen MEMS-Strukturen (seismische Masse in Form der Wippe) werden in einem Herstellungsprozess mit einem Kappenwafer (nicht dargestellt) versiegelt. Je nach Anwendung wird innerhalb des dadurch verschlossenen Volumens ein geeigneter, gegenüber der Umgebung definiert erhöhter Innen- druck eingeschlossen, wobei der Verschluss meist über ein Seal-Glas-Bond- verfahren oder über ein eutektisches Bondverfahren, z.B. mit AIGe erfolgt.

Um in einem derartigen Herstellungsprozess einen z-Beschleunigungssensor herzustellen, wird in der mikromechanischen Funktionsschicht eine Wippenstruk- tur ausgebildet, die über die Torsionsfeder 10 am Substrat verankert ist. Die Masseverteilung der Wippenstruktur ist asymmetrisch ausgebildet, wobei unterhalb der Wippenstruktur zwei Elektrodenflächen 30 angeordnet sind, um eine Auslenkung der Wippenstruktur 20 kapazitiv messen zu können.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors von Fig. 1. Man erkennt, dass das Symmetrieelement 40 auf der rechten Seite der Wippe 20 derart ausgebildet ist, dass es im Ergebnis in etwa die glei che Masse wie die Masse der Wippe 20 auf der linken Seite der Torsionsfeder 10 aufweist und über Anbindungselemente 41 unbeweglich nach unten mit dem Substrat (nicht dargestellt) verbunden ist.

Eine weitere nicht in Figuren dargestellte Ausführungsform des mikromechani- schen Sensors 100 kann vorsehen, dass das Symmetrieelement 40 durch den äußeren Rahmen des Kappenelements fixiert wird, indem der Schutzrahmen der Wippenstruktur 20 geöffnet wird, wobei auf diese Weise das Symmetrieelement 40 mittels wenigstens eines Anbindungselements 41 nach außen fixiert wird.

Eine weitere alternative Ausführungsform sieht vor, dass das Symmetrieelement 40 mittels wenigstens eines Anbindungselements 41 am Kappenelement nach oben befestigt wird (nicht dargestellt). Alle vorgenannten Varianten ermöglichen im Ergebnis eine Anbringung eines fluiddynamisch symmetrisierenden Massenelements 40 für den mikromecha- nischen Sensor 100.

Obwohl vorgehend die Verbesserung der radiometrischen Auslegung für kon- struktive Varianten von Beschleunigungssensoren mit einer Wippenstruktur auf Basis von mehreren Funktionsschichten offenbart ist, die lateral auf einer ersten Seite aus Vollmaterial (beide Funktionsschichten übereinander) und auf der zweiten Seite, bis auf einen äußeren Rahmen und/oder anderen Verstärkungs- elementen, nur aus der unteren, typischerweise dünneren Funktionsschicht be- stehen, ist das vorgeschlagene Konzept der verbesserten radiometrischen Auslegung nicht nur für derartige Sensoren umsetzbar.

Vorteilhaft kann die Erfindung für sämtliche mikromechanischen Sensoren mit in einer Kappe unter einem definiert erhöhten Innendruck eingeschlossenen be- weglichen Elementen realisiert werden. Beispielsweise kann die Erfindung dadurch für Drucksensoren mit einer beweglichen Membran, für Beschleu- nigungssensoren, Drehratensensoren, usw. realisiert werden.

Dynamische Effekte, die dadurch entstehen, dass an der Wippe zwischen der Ober- und Unterseite unterschiedliche Temperaturen oder Temperaturgradienten anliegen und Gasströme im Sensor generiert werden, können dadurch vorteilhaft symmetrisiert werden. Dadurch kann im Ergebnis eine Verkippung der Wippe aufgrund von thermischen Effekten zumindest verringert, idealerweise gänzlich vermieden werden.

Ein Offsetverhalten eines derartig ausgebildeten z-lnertialsensors lässt sich im Ergebnis deutlich verbessern.

Fig. 4 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors 100.

In einem Schritt 200 wird ein Substrat bereitgestellt.

In einem Schritt 210 wird ein auf dem Substrat angeordnetes Kappenelement bereitgestellt. ln einem Schritt 220 wird wenigstens ein im Kappenelement angeordnetes aus- lenkbares Element 20 bereitgestellt, wobei innerhalb des Kappenelements ein gegenüber der Umgebung definiert erhöhter Innendruck bereitgestellt wird. In einem Schritt 230 wird ein innerhalb des Kappenelements angeordneten, nicht mit dem auslenkbaren Element 20 verbundenen Symmetrieelements 40 bereitge- stellt, welches ausgebildet wird, im Betrieb des mikromechanischen Sensors 100 eine fluiddynamische Symmetrie für das auslenkbare Element 20 bereitzustellen. Es versteht sich von selbst, dass die Reihenfolge der genannten Schritte in ge- eigneter Weise auch vertauscht werden kann.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der

Erfindung abzuweichen.