微机械结构和用于制造微机械结构的方法

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：
本发明涉及一种微机械结构和一种用于制造微机械结构的方法。
技术背景
这样的微机械结构是普遍公知的。例如，由文献DE 196 39 946 Al已知一种微 机械结构元件形式的加速度传感器，其设有一个具有一个表面的衬底和一个一体的表面结 构，其中，该表面结构具有可运动的电极，这些可运动的电极悬挂在弯曲弹簧上并且可相对 于衬底运动，其中，该微机械结构元件具有固定的电极，这些固定的电极与可运动的电极相 对置地设置且不可相对于衬底运动，该表面结构以至少两个锚定区域固定在该表面上并且 换句话说以离开该表面的一个间距延伸，其中所述至少两个锚定区域相互间具有一个与该 表面微结构的横向膨胀尺寸相比很小的间距。该表面结构相对于衬底的偏移，例如由于外 部惯性力，可通过可运动的电极与固定的电极之间的电容量的变化来检测。该第一和第二 锚定区域在此设置在微机械结构元件的中心区域中，从而减小了该表面结构中的机械应 力。这种布置的缺点在于，不能对该表面结构的偏移进行差分式分析处理。由文献DE 197 19 770AUW0 2004/010 150 A2和DE 10 1006 033 636A1还公知微机械的加速度传感器。发明内容
与该现有技术相比，根据本发明的微机械结构和根据本发明的用于制造微机械结 构的方法具有以下优点借助第一和第二电极结构可实现对振动质量相对于衬底的偏移的 全差分的分析处理，同时不但第一电极结构而且第二电极结构为了应力去耦合在微机械结 构的中心区域中固定在衬底上。这具有以下效果一方面可实现在检测偏移时的高灵敏度 和比较好的信噪比，另一方面可实现第一和第二电极结构与衬底的有效的应力去耦合，从 而提高微机械结构的偏移量或零点稳定性。尤其地，由此避免了在反电极结构与第一和第 二电极结构之间由衬底翘曲引起的相对移动，否则该衬底翘曲会导致偏移量移位。这样的 衬底翘曲例如在带有应力的模制封装中关于温度或使用寿命出现并且尤其通过衬底材料、 模制材料和/或粘接材料的不同热膨胀系数引起。该衬底优选包括一个半导体材料和特 别优选地包括一个硅衬底。该微机械结构的中心区域尤其包括该微机械结构的平行于主延 伸平面的中心以及该中心的平行于主延伸平面的周围，其中，该中心区域平行于主延伸平 面的最大延伸尺寸包括所述微机械结构平行于主延伸平面沿着第一方向或沿着与第一方 向垂直的第二方向的最大延伸尺寸的优选最大60 %，特别优选最大40 %和极其优选最大 30%。该微机械结构优选包括加速度传感器，特别优选包括一个具有平行于主延伸平面定 向的感测方向的横向加速度传感器。该衬底优选具有用于第一和/或第二电极结构和/或 振动质量的电触点接通的带状导体。该第一锚定元件优选包括多个设置在中心区域中的第 一锚定元件，而该第二锚定元件优选包括多个设置在该中心区域中的第二锚定元件。
本发明的有利设计构型和扩展构型可由从属权利要求以及参照附图的说明中得 出ο
根据一种优选的实施方案，所述振动质量与一个设置在所述中心区域中的第三锚 定区域耦接，其中，所述振动质量与所述第三锚定区域优选通过弹簧元件弹簧弹性地耦接。 因此，也以有利的方式实现了振动质量在微机械结构的中心区域中的连接，使得以显著的 方式减小了一方面反电极结构与另一方面第一和第二电极结构之间的完全由衬底翘曲引 起的相对移动的危险。该第一、第二和/或第三锚定元件沿着一个垂直于第一方向且平行 于主延伸平面的第二方向尤其基本上相互重合地和/或沿着第一方向分别相对于该微机 械结构设置在中央。
根据一种优选的实施方案，该第一电极结构具有一个第一连接区域，该第一连接 区域垂直于主延伸平面至少部分地设置在第二电极结构与衬底之间，尤其地设置在第二指 形电极与衬底之间。该第一连接区域以有利的方式允许第二电极结构的跨接，由此允许两 个相互电分离的区域的张臂式的、即与衬底去耦合的交叉，也就是说尤其第一和第二电极 结构的交叉，而为此不需要第一和第二电极结构的衬底连接。这样的交叉尤其允许实现全 差分的分析处理，也就是说第三指形电极分别始终设置在第一和第二指形电极之间，其中， 同时可实现第一和第二电极结构以及反电极结构在中心区域中的锚定。此外，由此明显简 化了微机械结构内部的布线，使得该微机械结构相对结构紧凑。
根据一种优选的实施方式，所述第一指形电极借助所述第一连接区域固定在所述 第一锚定元件上。因此，以有利的方式与第二电极结构无关地实现第一指形电极在第一锚 定元件上的电触点接通和机械连接，因为用于连接第一指形电极的该第一连接区域部分地 在衬底与第二电极结构之间(垂直于主延伸平面)延伸。
根据一种优选的实施方式，所述第二电极结构具有一个第二连接区域，所述第二 连接区域垂直于所述主延伸平面至少部分地设置在所述第一电极结构与所述衬底之间，尤 其设置在所述第一指形电极与所述衬底之间。因此，也以有利的方式通过张臂式的第二连 接区域实现了第一电极结构的跨接，从而又实现第一与第二电极结构的交叉。
根据一种优选的实施方式，所述第二指形电极借助所述第二连接区域固定在所述 第二锚定元件上。由此，以有利的方式与第一电极结构无关地实现第二指形电极在第二锚 定元件上的电触点接通和机械连接。
根据一种优选的实施方式，所述第一连接区域垂直于所述主延伸平面比所述第一 指形电极更薄和/或所述第二连接区域垂直于所述主延伸平面比所述第二指形电极更薄， 使得在微机械结构的制造期间可比较简单地实现第一和/或第二连接区域的结构化。还可 以将在对接下来的平面进行光刻和微机械结构化时的形貌问题保持得很小。
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 供所述衬底，在第二制造步骤中制造所述第一锚定元件和所述第二锚定元件，在第三制造 步骤中制造所述第一电极结构的第一连接区域和/或所述第二电极结构的第二连接区域， 在第四制造步骤中制造所述第一电极结构的所述第一指形电极和所述第二电极结构的所 述第二指形电极，其中，所述第一连接区域与所述第一指形电极连接和/或所述第二连接 区域与所述第二指形电极连接。在该第三制造步骤中尤其将第一连接区域与第一锚定元件 连接和/或将第二连接区域与第二锚定元件连接。因此，允许以有利的方式与第二电极结 构的几何形状无关地实现第一指形电极在第一锚定元件上的张臂式连接，因为第一连接区 域垂直于主延伸平面至少部分地在衬底与第二电极结构之间延伸。反过来，附加地或替代地，允许与第一电极结构的几何形状无关地实现第二指形电极在第二锚定元件上的张臂式 连接，因为第二连接区域垂直于主延伸平面至少部分地在衬底与第一电极结构之间延伸。 因此，如上面已经详细说明的那样，以有利的方式制造一个微机械结构，它允许全差分的分 析处理以及同时允许第一和第二电极结构在中心区域中的连接。
根据一种优选的实施方式，在所述第二制造步骤中还制造一个第三锚定元件，在 所述第四制造步骤中还制造所述振动质量，其中，所述振动质量借助弹簧元件与所述第三 锚定元件耦接。因此，也以有利的方式使振动质量在微机械结构的中心区域中耦接在衬底 上，使得即便在全差分的电极布置中也实现微机械结构与衬底翘曲的最大应力去耦合。
根据一种优选的实施方式，在所述第一制造步骤与所述第三制造步骤之间在所述 衬底上沉积和结构化出一个第一消耗层，在所述第三制造步骤与所述第四制造步骤之间在 所述第一连接区域和/或所述第二连接区域上沉积和结构化出一个第二消耗层，其中，在 第五制造步骤中对所述第一消耗层和/或所述第二消耗层进行蚀刻。因此，以有利的方式 实现了张臂式结构的相对简单且成本有利的制造，即尤其第一、第二和第三指形电极、振动 质量以及第一和第二连接区域的相对简单且成本有利的制造。


本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明书中详细地阐述。附图示出
图1示出根据现有技术的微机械结构的示意性俯视图，
图2示出根据现有技术的另一微机械结构的示意性俯视图，
图3示出根据本发明的第一实施方式的微机械结构的示意性俯视图，
图4示出根据本发明的第二实施方式的微机械结构的示意性俯视图，
图5示出根据本发明的第三实施方式的微机械结构的示意性俯视图。
在各幅图中，相同的部件始终以相同的附图标记表示，因此通常也分别仅命名或 提到一次。
具体实施方式
在图1中示出根据现有技术的微机械结构1’的示意性俯视图。该微机械结构1’ 包括一个具有主延伸平面100的衬底2和一个可相对于该衬底2运动的振动质量3。该振 动质量3通过弹簧元件8与一个第三锚定元件61耦接，该第三锚定元件在该微机械结构1， 的中心区域7中固定地与衬底2连接。该振动质量3还包括一个反电极结构6，该反电极结 构具有多个第三指形电极60。该微机械结构1’还包括第一和第二电极结构4，5。该第一 电极结构4包括张臂式的第一指形电极40，其中，这些第一指形电极40分别通过自己的第 一锚定元件41固定在衬底2上。该第二电极结构5包括张臂式的第二指形电极50，其中， 这些第二指形电极50同样分别通过自己的第二锚定元件51固定在衬底2上。这些第三指 形电极60沿着一个平行于主延伸平面100的第一方向X(也称为感测方向)分别设置在一 个第一和一个第二指形电极40，50之间。该第一和第二电极结构4，5相互电绝缘，从而允 许对振动质量3沿着第一方向X相对于衬底2的偏移进行全差分的分析处理。缺点是该第 一和第二电极结构4，5不是仅仅在微机械结构1’的中心区域7中连接到衬底2上，因而衬 底翘曲导致第一和第二指形电极40，50相对于第三指形电极60的相对移动，由此产生零点移位或偏移。
在图2中示出根据现有技术的另一微机械结构1’的示意性俯视图，该微机械结构 基本上与在图1中示出的微机械结构1’相似，其中，第一指形电极40全部通过仅一个第一 锚定元件41固定在衬底2上，而第二指形电极50全部通过仅一个第二锚定元件51固定在 衬底2上，其中，该第一和第二锚定元件41，51设置在微机械结构1’的中心区域7中。以 垂直于第一方向的第二方向Y为参照，该第一电极结构4在此仅仅设置在振动质量3的第 一侧102上，而该第二电极结构5在此仅仅设置在振动质量3的第二侧103上。因此，与根 据图1的微机械结构1’不同的是，这些第三指形电极60不是沿着第一方向X分别设置在 一个第一和一个第二指形电极40，50之间。因此不允许对振动质量3的偏移进行全差分的 分析处理。
在图3中示出根据本发明的第一实施方式的微机械结构1的示意性俯视图，其中， 该第一实施方式基本上与在图1和2中图示的微机械结构1’相似，每个第三指形电极60沿 着第一方向X，即沿着传感方向设置在一个第一和第一第二指形电极40，50之间，同时所有 的第一指形电极40在第一侧102借助一个第一锚固元件41固定在衬底2上，而所有的第 二指形电极50在第一侧102借助一个第二锚固元件51固定在衬底2上，其中，该第一和第 二锚定元件41，51仅仅布置在中间区域7中。因此，根据第一实施方式的微机械结构1允 许全差分的分析处理并且同时对于衬底翘曲比较不敏感。在微机械结构1的第一侧102，第 一指形电极40直接地通过一个基本上沿着第一方向X延伸的第一梁元件43与第一锚定元 件41连接。这些第一指形电极40和第一梁元件43构造成张臂式的，即垂直于主延伸平面 100从衬底2间隔开。这些第二指形电极50通过一个第二连接区域52与该第二锚定元件 51机械地且导电地连接，其中，用于跨接第一电极结构4或第一梁元件43的该第二连接区 域52垂直于主延伸平面100部分地在衬底2与第一电极结构4之间延伸。这些第二指形 电极50以及该第二连接区域52在此构造成张臂式的。在第二侧103，另外的第二指形电极 50’类似地直接与一个另外的第二梁元件53’机械地且导电地连接，其中，另外的第一指形 电极40’通过一个第一连接区域42与一个另外的第一锚定元件41’连接。该第一连接区 域42垂直于主延伸平面100至少部分地设置在衬底2与该另外的第二电极结构5’、尤其 该另外的第二指形电极50’之间。这些弹簧元件8借助一个第三梁元件63与该第三锚定 元件61连接，其中，该第三梁元件63沿着第二方向Y设置在该第一梁元件43与该另外的 第二梁元件53’之间。此外，该第一锚定元件41、该第二锚定元件51、该另外的第一锚定元 件41’、该另外的第二锚定元件51’和该第三锚定元件61设置在中心区域7中，其中，该第 三锚定元件61沿着第二方向Y设置在该第一锚定元件41与该另外的第二锚定元件51’之 间。该振动质量3尤其包括一个完全包围该机械结构1的外部框架。该第一锚定元件41、 该第二锚定元件51、该另外的第一锚定元件41’、该另外的第二锚定元件51’和/或该第三 锚定元件61沿着第二方向Y尤其基本上相互重合地且沿着第一方向X分别相对于微机械 结构1在中央地设置。该第一和该第二连接区域42，52垂直于主延伸平面100比第一指形 电极40、另外的第一指形电极40’、另外的第二指形电极50’和第二指形电极50更薄地和 /或比该第一梁元件43和该另外的第二梁元件53’更薄地构造。
在图4中示出根据本发明的第二实施方式的微机械结构1的示意性俯视图，其中， 该第二实施方式基本上与在图3中图示的第一实施方式相同，在第一侧102，第二连接区域52不是直接地与第二锚定元件51连接，而是该第二连接区域52与一个第二梁元件53连 接，该第二梁元件53又与该第二锚定元件51连接。在此，该第二梁元件53在第一侧102 并且沿着第二方向Y设置在第一梁元件43与第三梁元件63之间。该第二连接区域52垂 直于主延伸平面100部分地设置在衬底2与第一梁元件43之间并且用于从第一梁元件43 下面穿过地触点接通和固定该第二指形电极50。类似地，在第二侧103，在第一连接区域42 与该另外的第一锚定元件41’之间设有一个另外的第一梁元件43’，该另外的第一梁元件 在第二侧103沿着第二方向Y设置在第三梁元件63与该另外的第二梁元件53’之间。该 第一锚定元件41、该另外的第一锚定元件41’、该另外的第二锚定元件51’、第二锚定元件 51和/或该第三锚定元件61沿着第二方向Y又基本上相互重合地且沿着第一方向X分别 相对于微机械结构1在中央地设置。与第一实施方式相比，该第二梁元件53在第二侧102 引起该第二连接区域52的加强，而该另外的第一梁元件43’在第二侧103引起第一连接区 域42的加强。
在图5中示出根据本发明的第三实施方式的微机械结构1的示意性俯视图，其中， 该第三实施方式基本上与在图4中图示的第二实施方式相同，在第一侧102，第二梁元件53 沿着第一方向X中断并且分成两个第二梁元件段M，其中，每一个第二梁元件段M具有一 个在中心区域7中的第二锚定元件51。第一锚定元件41沿着第一方向X设置在这些第二 梁元件段M之间，第一梁元件43沿着第一方向X至少部分地设置在这些第二梁元件段M 之间。类似地，在第二侧103，该另外的第一梁元件43’沿着第一方向X中断并且分成两个 另外的第一梁元件段44’，其中，每一个另外的第一梁元件段44’具有一个在中心区域7中 的另外的第一锚定元件41’。该另外的第二锚定元件51’沿着第一方向X设置在这些另外 的第一梁元件段44’之间，该另外的第二梁元件53’沿着第一方向X至少部分地设置在这 些另外的第一梁元件段44’之间。在第一侧102，该第一梁元件43向着第三梁元件63的方 向推进，在第二侧103，该另外的第二梁元件53’向着第三梁元件63推进，使得相对于第二 实施方式整体上实现了微机械结构1的结构空间更紧凑的布置，由此实现了更高的基本电 容量。该振动质量3例如包括一个多孔的振动质量3。在该微机械结构1下方还仅仅示例 性地设有用于第一电极结构4、第二电极结构5、另外的第一电极结构4’和/或另外的第二 电极结构5’和/或振动质量3的触点接通的带状导体。
权利要求
1.微机械结构(1)，设有具有主延伸平面(100)的衬底(2)和可相对于该衬底(2)沿着 平行于该主延伸平面(100)的第一方向(X)运动的振动质量(3)，其中，该微机械结构(1) 具有与该衬底(2)连接的第一电极结构(4，4’ )和与该衬底(2)连接的第二电极结构(5， 5’)，其中，该振动质量(3)具有反电极结构(6)，其中，该反电极结构(6)的第三指形电极(60)沿着第一方向(X)设置在该第一电极结构(4，4’)的第一指形电极(40，40’ )与该第 二电极结构(5，5，)的第二指形电极(50，50’)之间，其特征在于，该第一电极结构G，4’) 借助设置在该微机械结构(1)的中心区域(7)中的第一锚定元件(41，41’ )固定在该衬底 (2)上，该第二电极结构(5，5’ )借助设置在该中心区域(7)中的第二锚定元件(51，51’ ) 锚定在该衬底( 上。
2.根据权利要求1的微机械结构(1)，其特征在于，所述振动质量(3)与设置在所述 中心区域(7)中的第三锚定区域(61)耦接，其中，所述振动质量(3)与所述第三锚定区域(61)优选通过弹簧元件(8)弹簧弹性地耦接。
3.根据以上权利要求之一的微机械结构(1)，其特征在于，所述第一电极结构G，4’) 具有第一连接区域(42)，所述第一连接区域0 垂直于所述主延伸平面(100)至少部分 地设置在所述第二电极结构(5，5’ )与所述衬底( 之间，尤其设置在所述第二指形电极 (50，50’ )与所述衬底(2)之间。
4.根据以上权利要求之一的微机械结构(1)，其特征在于，所述第一指形电极G0， 40’ )借助所述第一连接区域0 固定在所述第一锚定元件Gl，41’ )上。
5.根据以上权利要求之一的微机械结构(1)，其特征在于，所述第二电极结构(5，5’) 具有第二连接区域(52)，所述第二连接区域(5 垂直于所述主延伸平面(100)至少部分 地设置在所述第一电极结构(4，4’ )与所述衬底( 之间，尤其设置在所述第一指形电极 (40，40，)与所述衬底(2)之间。
6.根据以上权利要求之一的微机械结构(1)，其特征在于，所述第二指形电极(50， 50’ )借助所述第二连接区域(5 固定在所述第二锚定元件(51，51’ )上。
7.根据以上权利要求之一的微机械结构(1)，其特征在于，所述第一连接区域G2)垂 直于所述主延伸平面(100)比所述第一指形电极(40，40’ )更薄和/或所述第二连接区域 (52)垂直于所述主延伸平面(100)比所述第二指形电极(50，50’ )更薄。
8.用于制造根据以上权利要求之一的微机械结构(1)的方法，其特征在于，在第一制 造步骤中提供所述衬底O)，在第二制造步骤中制造所述第一锚定元件Gl，41’)和所述第 二锚定元件(51，51’)，在第三制造步骤中制造所述第一电极结构(4，4’ )的第一连接区域 (42)和/或所述第二电极结构(5，5’ )的第二连接区域(52)，在第四制造步骤中制造所述 第一电极结构G，4’)的所述第一指形电极00，40’)和所述第二电极结构(5，5，)的所述 第二指形电极(50，50’)，其中，所述第一连接区域0 与所述第一指形电极(40，40’ )连 接和/或所述第二连接区域(5 与所述第二指形电极(50，50’ )连接。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，在所述第二制造步骤中还制造第三锚定元件 (61)，在所述第四制造步骤中还制造所述振动质量(3)，其中，所述振动质量C3)借助弹簧 元件(8)与所述第三锚定元件(61)耦接。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，在所述第一制造步骤与所述第三制造步 骤之间在所述衬底( 上沉积和结构化出第一消耗层，在所述第三制造步骤与所述第四制造步骤之间在所述第一连接区域0 和/或所述第二连接区域(5 上沉积和结构化出第 二消耗层，其中，在第五制造步骤中对所述第一消耗层和/或所述第二消耗层进行蚀刻。
全文摘要
本发明涉及一种微机械结构，设有一个具有主延伸平面的衬底和一个可相对于该衬底沿着一个平行于该主延伸平面的第一方向运动的振动质量，其中，该微机械结构具有一个与该衬底连接的第一电极结构和一个与该衬底连接的第二电极结构，其中，该振动质量具有一个反电极结构，其中，该反电极结构的第三指形电极沿着第一方向设置在该第一电极结构的第一指形电极与该第二电极结构的第二指形电极之间，该第一电极结构还借助一个设置在该微机械结构的中心区域中的第一锚定元件固定在该衬底上，该第二电极结构借助一个设置在该中心区域中的第二锚定元件锚定在该衬底上。本发明还涉及一种用于制造微机械结构的方法。
文档编号B81B7/02GK102030302SQ20101051098
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月6日
发明者C·比尔霍夫, J·克拉森 申请人:罗伯特·博世有限公司