微机电系统、用于制造微机电系统的方法与流程

1.本发明涉及一种微机电系统。


背景技术：

2.微机电系统(mems)通常例如作为用于测量加速度和/或转速的惯性传感器已知。这种传感器以大批量制造用于汽车和消费电子领域中的不同应用。
3.例如已知具有垂直于晶片平面的探测方向(z方向)的加速度传感器，在所述加速度传感器中使用摆杆结构。该摆杆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可运动的振动质量与两个固定在衬底上的对应电极形成两个平板电容器。振动质量通过至少一个、出于对称原因通常通过两个扭转弹簧与衬底连接。如果质量结构在扭转弹簧的两侧上的部分不一样大，那么在z加速度的影响下质量结构相对于作为旋转轴的扭转弹簧旋转，这引起了摆动运动。在此，电极在具有较大质量的一侧上的距离变小并且在另一侧上变大。由此得出电容变化，该电容变化是用于起作用的加速度的量度。这种加速度传感器例如在ep 0 244 581 a1和ep 0 773 443 b1中公开。
4.然而这种已知的mems中不利的是，质量结构在大偏移时并且在施加电压时可能具有升高的粘接倾向。


技术实现要素：

5.本发明的任务是，提供一种微机电系统，借助于该微机电系统可以有利地减小微机电系统的质量结构的粘接倾向。
6.相对于现有技术，根据本发明的微机电系统具有以下优点：在电极结构和/或对应电极结构的构型中可以有利地考虑已经在微机电系统的静止状态中存在的变形。由此，电极结构和/或对应电极结构可以这样构型，使得在考虑变形的情况下甚至在传感器止挡时也可以减小粘接倾向。因此，根据本发明可以实施特定结构化的平面外电极。
7.替代地，如果使用典型已知的电极形状(例如简单的矩形形状，圆形或具有圆弓的形状)，所述电极形状不适配于质量结构在静止状态中的变形，那么在电极结构和对应电极结构之间的距离在这些变形的区域中在传感器止挡时可能特别小，这在施加电压的情况下(例如在专用集成电路asic运行中)会导致升高的粘接倾向。根据本发明可以克服这些缺点。
8.根据本发明，以有利的方式可以设想，在电极结构和/或对应电极结构的构型中考虑在衬底和质量结构之间的距离由于已经在静止状态中的局部变形/弯曲不是恒定的，而是可以局部变化。根据本发明，电极结构和/或对应电极结构例如可以有利地这样构造，使得在质量结构和衬底之间的距离在局部区域中不附加地通过电极结构和/或对应电极结构在这些局部区域中的存在而减小，在所述局部区域中所述距离由于在静止状态中的变形而小于在另外的区域中。
9.本发明的有利构型和扩展方案可以参照附图从说明书中得出。
10.根据本发明的实施方式，质量结构的变形包括在微机电系统的静止状态中质量结构相对于衬底的尤其局部变化的预偏移，和/或，质量结构的变形包括质量结构的形状相对于在制造微机电系统时争取达到(angestrebt)的质量结构的形状的偏差，和/或，质量结构的变形通过机械夹紧(verspannung)引起，其中，机械夹紧尤其通过微机电系统的制造引起，由此有利地可能的是，考虑质量结构相对于衬底的弯曲或预偏移，所述弯曲或预偏移尤其可以通过在制造mems期间的机械应力产生。例如质量结构可以在mems的静止状态中通过夹紧在一些第一区域中朝着衬底的方向弯曲或预偏移，使得在mems的静止状态中质量结构在这些朝着衬底的方向弯曲的第一区域中比在剩余区域中具有相对于衬底的更小距离。根据本发明的实施方式可以设想，电极结构和/或对应电极结构在这些朝着衬底的方向弯曲的第一区域中更薄地构型或者部分地或完全地去掉。例如可以考虑，朝着衬底的方向弯曲的第一区域相应于质量结构的一个或多个边缘区域。
11.根据本发明的实施方式，电极结构的第一形状和/或对应电极结构的第二形状根据质量结构的变形构造，由此可能的是，电极结构和/或对应电极结构的形状可以取决于质量结构的预偏移地(必要时明显)不同于简单的几何形状，如矩形或圆形。优选可以考虑，电极结构和/或对应电极结构的形状以如下方式遵循可运动的质量结构的预偏移，使得在止挡时不低于在电极结构和对应电极结构之间的限定的最小距离(沿垂直方向)。
12.根据本发明的实施方式，电极结构的第一形状和/或对应电极结构的第二形状借助于多个角形的、尤其直角的部分区段构造，由此有利地可能的是，电极结构和/或对应电极结构根据质量结构的变形构造，其中，期望的形状可以通过多个角形的部分区段近似得出。由此可以进行在制造过程中的不同边缘条件(如蚀刻进入孔)的特别有利的适配。
13.根据本发明的实施方式，电极结构和/或对应电极结构这样根据质量结构的变形构造，使得在质量结构的最大偏移的状态中、尤其在质量结构和衬底之间出现止挡的情况下，不低于在电极结构和对应电极结构之间的可确定的最小距离，由此可能的是，这样选择电极结构和/或对应电极结构的几何结构或形状，使得即使在质量结构与衬底接触时在施加电压的情况下在电极结构和对应电极结构之间的电吸引力不变得过高(尤其保持在阈值下方)，从而可以减小粘接倾向。
14.根据本发明的实施方式，质量结构和/或衬底包括止挡结构，其中，在质量结构的最大偏移的状态中，在质量结构和衬底之间的止挡借助于止挡结构形成，由此可能的是，在质量结构和衬底之间形成限定的接触点或接触区域，由此可以限界质量结构从其静止位置出发的最大偏移。电极结构的第一形状和/或对应电极结构的第二形状优选这样遵循(folgen)质量结构的预偏移/变形，使得在通过止挡结构形成质量结构和衬底之间的接触时不低于电极结构和对应电极结构之间的最小距离(mindestabstand)。该最小距离优选大于当电极结构和对应电极在不考虑质量结构的变形并且因此不根据质量结构的变形构造时的电极结构和对应电极结构之间的最短距离(minimale abstand)。
15.根据本发明的实施方式，质量结构这样具有变形，使得-在质量结构的最大偏移的状态中和/或在微机电系统的静止状态中-质量结构在第一区域中比在第二区域中具有相对于衬底的更小距离，其中，电极结构和/或对应电极结构这样根据质量结构的变形构造，
16.‑‑
使得电极结构在第一区域中具有留空部，和/或，电极结构在第一区域中比在第二区域中具有沿垂直方向的更小厚度，和/或，
17.‑‑
对应电极结构在第一区域中具有留空部，和/或，对应电极结构在第一区域中比在第二区域中具有沿垂直方向的更小厚度，由此能够特别有利地减小质量结构的粘接风险。根据本发明的实施方式，为了防止在质量结构止挡在衬底上时低于电极结构和对应电极结构之间的最小距离，电极结构和/或对应电极结构这样构造，使得电极结构和/或对应电极结构在一个或多个第一区域中比在另外的区域中具有更小的厚度，和/或，电极结构和/或对应电极结构在一个或多个第一区域中具有留空部或者说凹部，使得尽管质量结构变形也保持并且不低于电极结构和对应电极结构之间的可确定的(期望的)最小距离。
18.留空部可以这样理解：电极结构和/或对应电极结构在其相应的留空部的区域中完全去掉和/或移除，
19.或者，电极结构和/或对应电极结构在其相应的留空部的区域中比在另外的区域中至少更薄地构造。
20.根据本发明的实施方式，微机电系统构造为具有至少一个平行于垂直方向的探测轴的加速度传感器，其中，质量结构构造为摆杆结构并且借助于一个或多个扭转弹簧与衬底连接，由此可能的是，质量结构可以实施沿垂直方向的摆动运动。因此，可以有利地减小用于摆杆式的加速度传感器的粘接倾向。
21.本发明的另一主题是用于制造根据本发明的实施方式的微机电系统的方法，其中，电极结构和/或对应电极结构根据质量结构的变形构造。
22.在此，质量结构的变形(在完成的传感器中)优选在mems的制造期间已知或者可以近似得出。关于在完成的传感器中的后来的变形的知识例如可以由至少基本上相同构造的并且已经完成的另外的mems通过其测量和/或特性获得，和/或，通过模拟获得。因此，在制造微机电系统时已经能够以有利的方式将电极结构的形状和/或对应电极结构的形状适配于完成的传感器的质量结构在所述传感器的静止状态中的后来的变形，并且电极结构和/或对应电极结构可以根据该后来的变形构造。
23.根据本发明的实施方式，第一电极结构借助于蚀刻步骤、尤其借助于牺牲层蚀刻过程根据质量结构的变形构造，其中，优选在蚀刻步骤期间同样构造质量结构的止挡结构，由此可能的是，提供特别有效率的制造过程。因此，可以节省费用。止挡结构和电极结构优选可以在相同的层中或者借助于mems的相同的层构造。
24.在此，对于用于制造微机电系统的方法可以应用已经结合根据本发明的微机电系统或者结合根据本发明的微机电系统的实施方式描述的优点和构型。
25.本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中详细阐释。
附图说明
26.图1示出根据本发明的第一实施例的质量结构的变形的示意性示图；
27.图2示出根据本发明的第一实施例的电极结构和/或对应电极结构的示意性示图；
28.图3示出根据现有技术的微机电系统的示意性横截面示图；
29.图4示出根据本发明的实施方式的微机电系统的示意性横截面示图；
30.图5示出根据本发明的实施方式的微机电系统的示意性横截面示图；
31.图6示出根据本发明的第二实施例的电极结构和/或对应电极结构的示意性示图；
32.图7示出根据本发明的第三实施例的电极结构和/或对应电极结构的示意性示图。
具体实施方式
33.在不同附图中，相同部件总是设有相同的附图标记，并且因此通常也分别仅命名或提到一次。
34.在图1中示出根据本发明的第一实施例的在静止状态中的质量结构10的变形的示意性示图。质量结构构造成能够沿垂直方向110(平行于z轴)垂直于衬底20的主延伸平面100地相对于衬底20运动。衬底20的主延伸平面100(未示出)也可以理解为衬底平面并且平行于x轴和y轴地定向。质量结构10在其静止状态中并不完全平行于衬底20的主延伸平面100地定向，而是局部地沿垂直方向110弯曲。尤其地，在第一区域15和另外的第一区域15’中，质量结构10特别远地朝着衬底20的方向偏移，该衬底布置在质量结构10下方。因此，在质量结构10和衬底20之间的距离在该第一区域15、15’中小于在第二区域16中。质量结构10的变形或预偏移尤其可以通过机械应力确定，所述机械应力例如通过在制造mems1时的过程温度或其他参数产生。质量结构10例如属于具有至少一个平行于垂直方向110的探测轴的加速度传感器。在此，质量结构10可以构造为摆杆结构并且借助于一个或多个扭转弹簧(未示出)与衬底20连接。
35.在图2中以朝着衬底20的主延伸平面100的俯视图示出根据本发明的第一实施例的电极结构11和/或对应电极结构21的示意性示图。示出的电极既涉及质量结构10的电极结构11，也涉及衬底20的对应电极结构21。电极结构11的第一形状11’或几何构型或者说对应电极结构21的第二形状21’或几何构型根据在图1中示出的质量结构10的变形或预偏移选择。尤其地，电极结构11或对应电极结构21在所述第一区域15和所述另外的第一区域15’中具有留空部13、13’或留空部23、23’，在所述第一区域和所述另外的第一区域中在质量结构10和衬底20之间的距离由于质量结构10的预偏移在静止状态中是特别小的。因此，在这些第一区域15、15’中电极结构11或对应电极结构21不存在。而在第二区域16中构造有电极结构11或对应电极结构21，在所述第二区域中在质量结构10和衬底20之间的距离在静止状态中大于在第一区域15、15’中。因此，总体上电极结构11和/或对应电极结构21可以这样根据质量结构10的变形构造，使得在质量结构10的最大偏移的状态中在质量结构10和衬底20之间出现止挡的情况下不低于在电极结构11和对应电极结构21之间的可确定的最小距离。
36.替代地也可以考虑，电极结构11或对应电极结构21至少部分地存在于第一区域15’、15”中，但比在第二区域16中更薄地实施。
37.质量结构10和/或衬底20优选可以在第一区域15、15’中具有止挡结构12，通过所述止挡结构形成在质量结构10和衬底20之间的限定的接触区域。这是特别有利的，因为在质量结构10和衬底之间的距离在第一区域15、15’中由于质量结构10相对于衬底20已经在静止状态中的预偏移小于在剩余区域中(或者说在第二区域16中)。
38.图3示出根据现有技术的微机电系统1的示意性横截面示图。质量结构10包括呈止挡块的形式的止挡结构12。电极结构11和对应电极结构21在其整个延伸尺度上分别实施有恒定的厚度并且也存在于第一区域15、15’中，在所述第一区域中质量结构10在静止状态中朝着衬底20的方向特别远地弯曲。因此，电极结构11和对应电极结构21分别与质量结构10在静止状态中的通过机械应力引起的变形无关地构造。
39.在图4中示出根据本发明的实施方式的微机电系统1的示意性横截面示图。所示出的横截面例如可以针对根据图2的第一实施例的电极结构11的第一形状11’得出。在质量结
构10的下侧上在第一区域15中不存在或者已经移除电极结构11。因此，质量结构10在其下侧上包括用于电极结构11的留空部13。因此，在电极结构11和布置在衬底20的上侧上的对应电极结构21之间的最小距离相比于图3变大。因此，当在可运动的质量结构10偏移时通过止挡结构12的止挡块形成在衬底20和质量结构10之间的接触的情况下，可以有利地防止低于在电极结构11和对应电极结构21之间的确定的最小距离。这减小了粘接倾向。
40.在图5中示出根据本发明的实施方式的微机电系统1的示意性横截面示图。在图5的上部分示出一实施方式，在该实施方式中除了已经移除在第一区域15、15’中的在质量结构10的下侧上的电极结构11之外，还附加地移除在第一区域15、15’中的对应电极结构21，使得在第一区域15、15’中形成对应电极结构21的留空部23、23’。因此，在关键的第一区域15、15’中在衬底20和质量结构10之间的距离附加地变大。因此，电极结构11的第一形状11’和对应电极结构21的第二形状21’均根据质量结构10的变形构造或者相应于质量结构10的变形适配。
41.在的下部分示出一实施方式，在该实施方式中没有移除或减薄在第一区域15、15’中在质量结构10的下侧上的电极结构11。替代地，移除在第一区域15、15’中的对应电极结构21，使得在第一区域15、15’中形成对应电极结构20的留空部23、23’。与此相应地，对应电极结构21的第二形状21’根据质量结构10的变形构造或者说相应于质量结构10的变形适配。
42.根据可运动结构或固定结构的变形，也可以考虑与在图2中示出的用于电极结构11和/或对应电极结构21的形状11’、21’不同的形状，尤其因为电极结构11和/或对应电极结构21的构型或形状11’、21’根据变形而选择。在图6中以朝着衬底20的主延伸平面100的俯视图示出根据本发明的第二实施例的电极结构11和/或对应电极结构21的示意性示图。示出的电极既可以是质量结构10的电极结构11，也可以是衬底20的对应电极结构21。尤其地，电极结构11在第一区域15和所述另外的第一区域15’、15”中具有留空部13、13’、13”，在所述第一区域和所述另外的第一区域中在质量结构10和衬底20之间的距离在静止状态中由于质量结构10的预偏移而小于在第二区域16中。替代地或附加地，对应电极结构21在第一区域15和所述另外的第一区域15’、15”中具有留空部23、23’、23”。因此，在第一区域15、15’、15”中不存在电极结构11或对应电极结构21。在该情况下，留空部13、13’、13”或留空部23、23’、23”沿y方向(平行于摆杆的旋转轴)布置在质量结构10的边缘区域中，使得尤其存在沿y方向的波浪形轮廓。在此，电极结构11和/或对应电极结构21根据质量结构10的变形构造，使得在质量结构10最大偏移的状态下不低于在电极结构11和对应电极结构21之间的可确定的最小距离。
43.在图7中以俯视图示出根据本发明的第三实施例的电极结构11和/或对应电极结构21的示意性示图。因为在构型和制造电极结构11和/或对应电极结构21的形状11’、21’时必须满足可能的其他边缘条件(例如蚀刻进入孔)，可以有利地考虑，通过直角的部分区段30近似得出(approximieren)电极结构11和/或对应电极结构21的形状(如根据图2或图6的形状)，如在图7中示出的那样。