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

Mikromechanische Beschleunigungssensoren werden üblicherweise mittels Waferbonden mittels eines Kappenwafers hermetisch versiegelt. Dabei entsteht eine Kavität, in welcher sich eine seismische Masse des Beschleunigungs- sensors bewegen kann und welche mit einem oder mehreren Gasen (z.B. Stickstoff, Helium, Neon, Argon, Krypton, usw.) bei definiertem Druck bzw. definierten Partialdrücken gefüllt ist.

Aufgrund ihres Einsatzes in thermisch komplexen Umgebungen, z.B. in Smart- phones, tragbaren elektronischen Geräten (engl wearables) oder im Motorraum von Maschinen (z.B. Kraftfahrzeugen), besteht in Beschleunigungssensoren häufig eine Temperaturdifferenz zwischen Unter- und Oberseite der Kavität, insbesondere in z-Richtung. Aus diesem Temperaturgradienten resultiert eine Nettobewegung der Gasmoleküle in der Kavität, welche sowohl bei zeitab- hängigen als auch bei stationären Temperaturgradienten auftritt. Durch die Wechselwirkung der Gasmoleküle mit der seismischen Masse des Beschleuni- gungssensors kann aufgrund deren gerichteter Nettobewegung, insbesondere bei z-Beschleunigungssensoren ein Nullpunktfehler (Offset) entstehen. Dieser Nullpunktfehler ist sowohl abhängig vom Betrag des globalen Temperatur- gradienten über der Kavität als auch, bei inhomogener Temperaturverteilung über der Sensorfläche, von den lokalen Beiträgen des Temperaturgradienten- feldes. Modifikationen des Kappenwafers werden im Stand der Technik dazu genutzt, Anschlagspunkte für die mikromechanischen Strukturen zu definieren sowie Drehmomente, die durch elektrostatische Kräfte verursacht werden, auszu- gleichen.

US 9134337 B2 offenbart mikroelektromechanische out-of-plane-Stopper- elemente für MEMS-Sensoren zum Schutz vor Stößen.

US 9476905 B2 offenbart ein Sensorelement mit einer Detektionselektrode, einem gegenüber der Detektionselektrode angeordneten beweglichen Teil und einem gegenüber dem beweglichen Teil vorspringenden Abschnitt, wobei wenig- stens ein Teil des vorspringenden Abschnitts aus einem Isolationsmaterial besteht.

WO 2010034554 A1 offenbart einen Sensor, bei dem die Auslenkung der seis- mischen Masse durch einen ersten und einen zweiten Anschlag begrenzt wird.

In der wissenschaftlichen Literatur wurde der oben beschriebene Effekt an Be- schleunigungssensoren beschrieben, z.B. in C. Nagel et al,„Characterization of Temperature Gradients on MEMS Acceleration Sensors“, Procedia Engineering 168 (pp. 888 - 891 ), 2016.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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 eine orthogonal zum Kappenelement auslenkbare seis- mische Masse, wobei innerhalb einer Kavität ein gegenüber der Umge- bung definiert abgesenkter Innendruck herrscht; gekennzeichnet durch Harmonisierungsmittel, die ausgebildet sind, im Betrieb des mikromecha- nischen Sensors eine Vergleichmäßigung eines Temperaturgradienten- felds in der Kavität bereitzustellen.

Das Harmonisierungsmittel sind dabei ausschließlich dazu vorgesehen, die ganze Anordnung in fluiddynamischer Hinsicht zu symmetrisieren. Vorteilhaft kann dadurch erreicht werden, dass fluiddynamische Effekte für die auslenkbare seismische Masse harmonisiert sind. Im Ergebnis wird dadurch erreicht, dass für den mikromechanischen Sensor vorteilhaft eine verbesserte Unempfindlichkeit gegenüber thermischen Effekten realisiert werden kann. Dadurch ist ermöglicht, dass der Sensor ausschließlich aufgrund von mechanischen Inertialkräften aus- gelenkt wird und nicht aufgrund von Kraftwirkungen, die aufgrund von thermi- schen 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; und

Bereitstellen wenigstens eine orthogonal zum Kappenelement auslenk- bare seismische Masse, wobei innerhalb einer Kavität ein gegenüber der Umgebung definiert abgesenkter Innendruck herrscht; und

Bereitstellen von Harmonisierungsmittel, die ausgebildet sind, im Betrieb des mikromechanischen Sensors eine Vergleichmäßigung eines Temperaturgradientenfelds in der Kavität bereitzustellen.

Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch ge- kennzeichnet, dass die Harmonisierungsmittel wenigstens ein Strukturelement des Kappenelements umfasst, wobei mittels des Strukturelements in definierten Abschnitten ein definierter Abstand der seismischen Masse zum Kappenelement bereitgestellt wird. Dadurch kann der gewünschte Effekt mittels einer einfachen Strukturierung des Kappenelements erreicht werden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeich- net sich dadurch aus, dass das Kappenelement gegenüber massearmen Ab- schnitten der seismischen Masse abschnittsweise abgesenkt und strukturiert ist. Dadurch wird eine einfache bereitzustellende, spezifische Abwandlung der vor- genannten Strukturierungsmaßnahme bereitgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeich- net sich dadurch aus, dass zusätzliche Schichten in das Kappenelement einge- bracht werden, wobei die Schichten als thermische Isolatoren und/oder als ther- mische Leiter ausgebildet sind. Dadurch wird eine zusätzliche alternative Maß- nahme zur Harmonisierung des Temperaturgradientenfelds bereitgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist da- durch gekennzeichnet, dass mittels thermischer Kopplungselemente eine ther- misch optimierte Kopplung zwischen definierten Bereichen des mikromechani- schen Sensors realisiert wird. Vorzugsweise sind die thermischen Kopplungs- elemente dabei als thermische Durchkontaktierungen ausgebildet, mit denen eine Vergleichmäßigung des Temperaturgradientenfelds innerhalb der Kavität des Sensors erreicht wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist da- durch gekennzeichnet, dass die thermischen Ankopplungselemente ein Metall umfassen. Durch die sehr gute Wärmeleitfähigkeit von Metall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, kann mittels der Ankopplungselemente eine optimierte Harmonisierung des Temperaturgradientenfelds bereitgestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmittel eine definierte Porosifi- zierung von Materialien des mikromechanischen Sensors umfassen. Durch die Porosifizierung der Materialen kann vorteilhaft Wärmestrahlung in das Kappen- element verringert und dadurch eine Harmonisierung des Temperaturgradienten- feldes erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Symmetriegrad orthogonal zur Ausschlags- richtung definiert erhöht ist. Durch den derartig ausgebildeten Symmetriegrad kann ebenfalls eine Vergleichmäßigung des Temperaturgradientenfelds inner- halb der Kavität erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sind da- durch gekennzeichnet, dass der Sensor eines aus: Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Drucksensor ist. Dadurch kann das vorgeschlagene Konzept vorteilhaft für unterschiedliche Typen von mikromechanischen Sensoren realisiert 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 not- wendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit hal- ber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugs- zeichen 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 Querschnittsansicht eines konventionellen mikromechani- schen z-Beschleunigungssensors;

Fig. 2 die Querschnittsansicht von Fig. 1 mit angedeuteten Temperatur- gradienten innerhalb einer Kavität;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des vorge- schlagenen mikromechanischen Sensors; Fig. 4 eine Draufsicht einer Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des vorge- schlagenen mikromechanischen Sensors;

Fig. 6 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführung des vorge- schlagenen mikromechanischen Sensors;

Fig. 7 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors; und

Fig. 8 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 sogenannten radiometrischen Auslegung für mikromechanische Sensoren bereitzustellen. Dies wird durch eine Symmetrierung von fluiddyn amisch relevanten Strukturen des Sensors erreicht, wodurch zeitliche Auftriebs- effekte in MEMS-Strukturen minimiert werden, die bei Vorliegen einer Wärme- quelle entstehen können. Dadurch können vorteilhaft unerwünschte Änderungen von Sensorparametern, wie z.B. Ausgangs-Offsets, vermieden bzw. wenigstens minimiert werden.

Die genannten Auftriebseffekte entstehen 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 Varian- ten.

Die Erfindung schlägt insbesondere eine Reduktion bzw. Kompensation des durch Gasströmung verursachten thermischen Nullpunktfehlers von z-Beschleu- nigungssensoren mittels Modifikation des Temperaturgradientenfeldes in der Kavität des z-Beschleunigungssensors vor. Die Modifikation des Temperatur- gradientenfeldes kann z.B. durch spezifische konstruktive Veränderungen des Kappenwafers erreicht werden, wobei zur Modifikation auch noch andere Maßnahmen vorgesehen sind, die vorteilhaft in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden können.

Als Temperaturgradientenfeld gwird dabei das Vektorfeld: bezeichnet, d.h. die Änderungsrate der Temperatur ausgewertet in jedem Punkt r des Raumes. Der Begriff Temperaturgradient bezieht sich auf Betrag und Richtung von g an einem bestimmten Ort einer Sensorkavität (z.B. ist go = g{ro) der Temperaturgradient am Ort r ₀ ).

Vorgeschlagen wird eine thermisch wirkende Modifikation der Kappenwafer mikromechanischer Beschleunigungssensoren, deren seismische Masse senk- recht zur Substratebene beweglich ist, wie es insbesondere bei z- Beschleuni- gungssensoren der Fall ist.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines derartigen konventionellen mikrome- chanischen z- Beschleunigungssensors 100, wobei eine Wippenstruktur eines derartigen herkömmlichen mikromechanischen z-Beschleunigungssensors für die genannten ungünstigen Effekte besonders anfällig ist.

Man erkennt einen mikromechanischen Beschleunigungssensor 100 mit einem Substrat 10 und einem darauf angeordneten Kappenelement bzw. Kappenwafer 20. Innerhalb der dadurch gebildeten Kavität 30 befindet sich eine bewegliche, seismische Masse 40, die um eine Torsionsachse 41 tordierbar gelagert ist. Auslenkungen der seismischen Masse 40 werden mittels Elektroden 50, 51 , 52 und 53 vorzugsweise kapazitiv ausgewertet. Anschlagselemente 21 sind vorge- sehen, um für die seismische Masse 40 im mechanischen Überlastfall eine An- schlagsmöglichkeit bereitzustellen. Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des mikromechanischen Beschleunigungs- sensors 100 von Fig. 1 mit Temperaturgradienten g1 , g2 innerhalb der Kavität 30. Man erkennt, dass auf der linken Seite, in welchem der Anteil der seismi- schen Masse 40 höher ist als auf der rechten Seite (asymmetrische Ausbildung der seismischen Masse in Form einer sogenannten,„Schachtelmasse“), ein Temperaturgradient g1 größer als ein Temperaturgradient g2 auf der masse- ärmeren rechten Seite ist.

Vorgeschlagen wird in einer Ausführungsform des mikromechanischen Sensors 100, das Kappenelement 20 spezifisch zu modifizieren, was in der Querschnitts- ansicht von Fig. 3 dargestellt ist. Erreicht wird dies durch eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung eines Abstands des Kappenelements 20 zur seismischen Masse 40, wodurch der Temperaturgradient lokal definiert verringert bzw. lokal definiert vergrößert wird. Weiterhin kann durch die genannte Kappenstrukturierung (zum Beispiel mittels Dickenvariationen) deren Wärmeleitfähigkeit lokal angepasst wer- den. Im Ergebnis wird mit geeigneter Strukturierung das thermisch verursachte Gesamtdrehmoment der seismischen Masse 40 auf ca. Null reduziert.

Die vorgehend genannte Kompensationsmaßnahme gleicht die Temperatur- gradienten g1 und g2 des Sensors 100 von Fig. 2 aus, in dem die Distanz zwi- schen dem Kappenelement 20 und der seismischen Masse 40 örtlich definiert angepasst wird, sodass sich die durch die Gasströmung verursachten Drehmo- mente zu ungefähr Null kompensieren, wie in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser An- ordnung beträgt die Distanz zwischen dem lokal abgesenkten Kappenelement 20 und der Unterseite der seismischen Masse 40 typischerweise ca. 25pm, min- destens 20pm und höchstens 30pm. Die Distanz zwischen der Oberseite der seismischen Masse 40 und dem abgesenkten Kappenelement 20 beträgt typi- scherweise 2.5pm, mindestens 1.5pm und höchstens 5pm. Die Distanz zwischen nicht abgesenktem Kappenelement 20 und der Oberseite der seismischen Mas- se 40 beträgt typischerweise 30pm.

Man erkennt in Fig. 3, dass der mikromechanische Sensor 100 sich dadurch auszeichnet, dass ein Symmetriegrad in y-Richtung (d.h. orthogonal zur Aus- schlagsrichtung z) gegenüber der konventionellen Ausbildung von Fig. 2 definiert erhöht ist. Für symmetrische z-Wippen mit für Schachtelmassen geeigneten Kappenstruk- turierungen sind in der Draufsicht des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100 von Fig. 4 dargestellt. Die Kappenstrukturierungen sind derart ge- staltet, dass das Kappenelement 20 auf ca. 30% bis ca. 65% des gestrichelt hervorgehobenen Bereichs B abgesenkt ist, was als Bereich 23 dargestellt ist.

Erreicht wird dies mittels der Bereiche 23, die gegenüber Strukturelementen 22 in einem Randbereich des masseärmeren Bereichs B der seismischen Masse 40 unterschiedlich weit zur seismischen Masse 40 abgesenkt sind. Im Bereich 23 ist somit der Abstand zwischen dem Kappenelements 20 und der seismischen Masse 40 kleiner als ein Abstand zwischen dem restlichen Anteil des Kappen- elements 20 und der seismischen Masse 40.

Es versteht sich von selbst, dass sämtliche Zahlenangaben lediglich beispielhaft sind.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines vorgeschla- genen mikromechanischen Sensors 100. In diesem Fall wurde der Bereich 23 gegenüber der Anordnung von Fig. 4 mittels Strukturelementen 22 noch stärker strukturiert, d.h. gegenüber der seismischen Masse 40 abgesenkt, wodurch der Temperaturgradient g2 definiert eingestellt werden kann.

Ferner kann auch mittels einer lokalen Veränderung der thermischen Leitfähig- keit des Kappenelements 20 das Temperaturgradientenfeld ebenfalls lokal ge- ändert werden. Mit dieser Maßnahme können die Temperaturgradienten g1 und g2 des Sensors 100 von Fig. 2 ausgeglichen werden, indem die thermische Leit- fähigkeit des Kappenelements 20 lokal verändert wird, zum Beispiel durch eine Metallisierung mit Aluminium, Kupfer, Titan, Passivierung der Oberfläche mittels Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, teilweise Porosifizierung des Silizium oder lokal stark erhöhte Dotierstoffkonzentrationen im Silizium, wie es im Prinzip in der Querschnittsansicht von Fig. 6 dargestellt ist.

Man erkennt, dass die Oberfläche des Kappenelements 20 abschnittsweise mit einem thermischen Isolator 60 und mit einem thermischen Leiter 70 versehen ist, um die Temperaturgradienten g1 , g2 auf beiden Seiten der Torsionsachse 41 auszubalancieren. Durch die dadurch erreichte lokal unterschiedliche thermische Leitfähigkeit des Kappenelements 20 ändert sich das Temperaturprofil an deren Oberfläche zur seismischen Masse 40 hin. Ein präzises Einstellen dieses Temperaturprofils er- laubt ein Ausbalancieren der Temperaturgradienten auf beiden Seiten der seis- mischen Masse 40, wie es in Fig. 6 für eine seismische Masse 40 in Form einer asymmetrischen z-Wippe angedeutet ist.

In einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensors 100 ist vorgesehen, Temperaturunterschiede zwischen Unter- und Oberseite der Kavität 30 durch thermische Durchkontaktierungen (engl thermal through-silicon vias, TTSVs) bzw. Kopplungselemente 80 auszugleichen. Diese Kompensationsmaßnahme zielt darauf ab, dass die Temperaturen von Substrat 10, seismischer Masse 40 und Kappenelement 20 unabhängig von der Um- gebung ungefähr gleich groß sind. Erreicht wird dies mittels Kupfer- oder Alu- minium-gefüllter thermischer Kopplungselemente 80, die beispielsweise inner- halb des Substrats 10 und/oder innerhalb der beweglichen seismischen Masse 40 und/oder innerhalb des Kappenelements 20 ausgebildet sind und das Sub- strat 10 mit dem Kappenelement 20 und/oder das Substrat 10 mit der seismi- schen Masse 40 verbinden, und/oder sich durch den gesamten Schichtstapel 10, 20, 40 erstrecken. Eine prinzipielle Querschnittsansicht eines derartigen mikro- mechanischen Sensors 100 ist in Fig. 7 dargestellt.

Es versteht sich von selbst, dass zu einer Optimierung des Effekts des Aus- gleichs des Temperaturgradientenfeldes alle vorgehend erläuterten Kompen- sationsmaßnahmen auch in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.

Die vorgehend detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Maßnahme erfolgte 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.

Vorteilhaft kann die Erfindung für sämtliche mikromechanischen Sensoren mit in einer Kappe unter einem definierten Innendruck eingeschlossenen beweglichen Elementen realisiert werden. Beispielsweise kann die Erfindung für Drucksen- soren mit einer beweglichen Membran, für Beschleunigungssensoren, Dreh- ratensensoren, 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. 8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Her- steilen eines mikromechanischen Sensors 100.

In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen eines Substrats 10 durchgeführt.

In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen eines auf dem Substrat 10 angeord- neten Kappenelements 20 durchgeführt.

In einem Schritt 220 wird ein Bereitstellen wenigstens einer orthogonal zum Kappenelement 20 auslenkbaren seismischen Masse 40 durchgeführt, wobei innerhalb einer Kavität 30 ein gegenüber der Umgebung definiert abgesenkter Innendruck bereitgestellt wird.

In einem Schritt 230 wird ein Bereitstellen von Harmonisierungsmittel durchge- führt, die ausgebildet sind, im Betrieb des mikromechanischen Sensors 100 eine Vergleichmäßigung eines Temperaturgradientenfelds in der Kavität 30 bereit- zustellen.

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.