用于电容式传感器或开关设备的微机械构件
技术领域
本发明涉及一种用于电容式传感器或开关设备的微机械构件和一种电容式传感器或开关设备。本发明同样涉及一种用于电容式传感器或开关设备的微机械构件的制造方法和一种用于制造电容式传感器设备的方法。
背景技术
在DE 10 2009 000 403 A1中描述了一种微机械电容式压力传感器和用于制造这种压力传感器的方法。压力传感器包括衬底、固定在衬底的衬底表面上的电极和借助于跨越被固定的电极的膜片可移位地悬挂的另外的电极。此外，膜片的悬置区域应能够借助于施加到该悬置区域上的力翘曲，由此作用在电极之间的电容应该是能变化的。
发明内容
本发明实现一种用于电容式传感器或开关设备的微机械构件，该微机械构件具有：带着衬底表面的衬底；跨越衬底表面的膜片，该膜片具有至少一个悬置区域，该悬置区域能够分别借助于施加到相应的悬置区域上的力翘曲；构造在膜片上和/或中的第一测量电极，该第一测量电极能够借助于膜片的所述至少一个悬置区域的翘曲而置于关于衬底表面的移位或变形运动中；和关于衬底表面固定的对应电极，该对应电极布置在膜片和衬底表面之间，使得第一测量电极位于对应电极的第一侧上；其中，微机械构件设有第二测量电极，该第二测量电极借助于至少一个支架元件悬挂在第一测量电极和/或膜片上，使得第二测量电极借助于所述至少一个支架元件保持在对应电极的指向离开对应电极的第一侧方向的第二侧上并且在膜片的所述至少一个悬置区域翘曲时与置于其移位或变形运动中的第一测量电极一起运动。本发明还实现一种相应的电容式传感器或开关设备、相应的用于电容式传感器或开关设备的微机械构件的制造方法和相应的用于制造电容式传感器设备的方法。
本发明实现微机械构件或配备有所述微机械构件的电容式传感器或开关设备，在所述微机械构件中指向离开相应微机械构件的衬底方向的膜片外侧可以用作为“敏感膜片面”。不同于通过凝胶填充在衬底中结构化出的凹槽，根据本发明的微机械构件或配备有所述微机械构件的电容式传感器或开关设备的“敏感膜片面”的凝胶化因此可以简单地实施并且仅需要相对较小的工作花费。因此，本发明实现微机械构件或配备有所述微机械构件的电容式传感器或开关设备，所述微机械构件由于其“敏感膜片面”的良好的受保护性而具有提升的使用寿命。
同时，根据本发明的微机械构件适用于所谓的“全差分分析处理设计”，在该全差分分析处理设计中，借助于由作用在第一测量电极和(固定的)对应电极之间的第一电容与作用在第二测量电极和对应电极之间的第二电容的求差(Differenzbildung)能够获得作用到“敏感膜片面”上的力或相应于所述力的物理参量或环境条件。由该求差获得的信号以系数2大于仅由第一电容的第一电容变化(或仅由第二电容的第二电容变化)获得的比较信号。因此，“全差分分析处理设计”可以在保持微机械构件的敏感性和/或其测量精度的情况下用于所述微机械构件的微型化。相应地，“全差分分析处理设计”也可以用于在保持微机械构件的结构尺寸的情况下提升所述微机械构件的敏感性和/或测量精度。因此，为了分析处理根据本发明的微机械构件，通常可以使用简单的、需要小结构空间的并且成本有利的分析处理电子部件。
“全差分分析处理设计”和所述求差的另外的优点在于温度偏移的经常自动的“过滤”。出现在根据本发明的微机械构件上的温度变化通常引起第一电容和第二电容的相同的由温度决定的电容变化，使得温度偏移在求差时自动地“过滤掉”。同样地，在“全差分分析处理设计”中借助于所述求差经常自动地“过滤掉”以传统方式出现的误差信号，所述误差信号归因于相应的微机械构件的衬底的弯曲。此外，在“全差分分析处理设计”中借助于所述求差获得的信号通常关于作用到“敏感膜片面”上的力或相应于所述力的物理参量或环境条件是“线性”的。
在微机械构件的有利的实施方式中，所述至少一个支架元件分别至少部分地由至少一个电绝缘材料形成，使得第二测量电极相对于第一测量电极电绝缘。由此可以实现用于作用在第一测量电极和对应电极之间的第一电容和作用在第二测量电极和对应电极之间的第二电容的不同值。
在微机械构件的另外的优选实施方式中，第二测量电极由第一半导体和/或金属层形成，该第一半导体和/或金属层直接沉积在衬底表面上和/或直接沉积在至少部分地遮盖衬底表面的覆盖层上，而对应电极由第二半导体和/或金属层形成，该第二半导体和/或金属层沉积在第一半导体和/或金属层的指向离开衬底方向的一侧上，并且第一测量电极由第三半导体和/或金属层形成，该第三半导体和/或金属层沉积在第二半导体和/或金属层的指向离开衬底方向的一侧上。在这种情况下，微机械构件的制造可以特别简单地实施并且具有相对较小的制造费用。
膜片例如可以气密地密封具有存在于其中的参考压力的壳体，使得膜片的所述至少一个悬置区域可以借助于存在于壳体外部的、不等于参考压力的物理压力而翘曲。因此，微机械构件的这里描述的实施方式可以有利地用于电容式压力传感器。
在具有这种微机械构件的电容式传感器或开关设备中也确保前面描述的优点。优选地，电容式传感器设备包括分析处理电子部件，所述分析处理电子部件设计成用于至少在考虑当前获取的、关于作用在第一测量电极和对应电极之间的第一电容与作用在第二测量电极和对应电极之间的第二电容之间的差而言的测量参量的情况下确定并且输出关于施加到膜片的所述至少一个悬置区域的力或相应于所述力的物理参量或环境条件的测量值。因此，分析处理电子部件可以确保上面已经阐释的“全差分分析处理设计”的优点。
设计为电容式压力传感器设备的电容式传感器设备的微机械构件例如可以具有在前面第二段描述的微机械构件的特征，其中，分析处理电子部件设计成至少在考虑当前获取的测量参量的情况下确定并且输出关于存在于壳体外部的物理压力的测量值。
上面所述的优点也通过用于电容式传感器或开关设备的微机械构件的相应的制造方法的实施引起。同样地，这些优点通过相应的用于制造电容式传感器设备的方法的实施来实现。要明确指出，这里列举的方法可以根据上面阐释的微机械构件和电容式传感器设备的实施方式进一步扩展。
附图说明
下面参照附图阐释本发明的另外的特征和优点。附图示出：
图1a和1b微机械构件的第一实施方式的示意性示图；
图2a和2b微机械构件的第二实施方式的示意性示图；
图3a至3c微机械构件的第三实施方式的示意性示图；
图4a和4b微机械构件的第四实施方式的示意性示图；
图5用于阐释用于电容式传感器或开关设备的微机械构件的制造方法的第一实施方式的流程图；和
图6用于阐释用于电容式传感器或开关设备的微机械构件的制造方法的第二实施方式的流程图。
具体实施方式
图1a和1b示出微机械构件的第一实施方式的示意性示图。
在图1a和1b中以横截面示意性描绘的微机械构件具有带着衬底表面10a的衬底10。附加地，微机械构件具有跨越衬底表面10a的膜片12，该膜片具有至少一个悬置区域14，其中，膜片12的所述至少一个悬置区域14借助于施加到相应的悬置区域14上的力F可翘曲/变翘曲(参见图1a和1b)。构造在膜片12上和/或中的第一测量电极16借助于膜片12的所述至少一个悬置区域14的翘曲可以置于/被置于关于衬底表面10a的移位或变形运动中。第一测量电极16尤其可以理解为膜片12的所述至少一个悬置区域14的至少一部分。可选择地，第一测量电极16也可以构造为膜片12的所述至少一个悬置区域14的加固部/加厚部。同样地，第一测量电极16也可以“悬挂”在所述至少一个悬置区域14的膜片内侧14a上。因此，第一测量电极16在图1a中示意性描绘的、作为膜片12的(单个)悬置区域14的构造仅示例性地阐明。
微机械构件也具有关于衬底表面10a固定的对应电极18，所述对应电极这样布置在膜片12和衬底表面10a之间，使得第一测量电极16位于对应电极18的第一侧上。对应电极18的固定布置理解为，对应电极18仅由于微机械构件的损坏才能够关于衬底表面10a移位。因此，对应电极18关于衬底表面10a的位置或对应电极18的形状不通过膜片12的所述至少一个悬置区域14的翘曲而受妨碍。
图1a和1b的微机械构件(除了第一测量电极16之外附加地)还包括第二测量电极20，该第二测量电极借助于至少一个支架元件22这样悬挂在第一测量电极16和/或膜片12上，使得第二测量电极20借助于所述至少一个支架元件22保持在对应电极18的指向离开对应电极18的第一侧方向的第二侧上。此外，第二测量电极20在膜片12的所述至少一个悬置区域14翘曲时与置于其移位或变形运动中的第一测量电极16一起运动。
因此，配备有电极16、18和20的微机械构件有利地适用于上面已经描述的“全差分分析处理设计”。触发膜片12的所述至少一个悬置区域14的翘曲的力F或相应于力F的物理参量或环境条件可以借助于由作用在第一测量电极16和(固定的)对应电极18之间的第一电容和作用在第二测量电极20和对应电极18之间的第二电容的求差来探测/确定。因此，在使用这里所述的微机械构件时也确保“全差分分析处理设计”的上面已经描述的优点。
如参照图1a和1b的比较得出，膜片12的所述至少一个悬置区域14的指向离开衬底10的方向的膜片外面14b可以用作为微机械构件的“敏感膜片面”，触发膜片12的所述至少一个悬置区域14的翘曲的力F作用到该敏感膜片面上。由此，微机械构件的“敏感膜片面”可以简单地、可靠地并且借助于相对较低的工作花费进行凝胶化处理，由此可以提高微机械构件的使用寿命。
电极16、18和20的电极面优选(近似)同样大地构造。所述至少一个支架元件22优选沿着垂直于衬底表面10a定向的方向延伸，借助于该支架元件使第二测量电极20悬挂在第一测量电极16和/或膜片12上。所述至少一个支架元件22例如可以延伸穿过相应的构造在对应电极18中的贯穿开口，如在图1a和1b中示出的那样。由此第一测量电极16和第二测量电极20可以“彼此相叠地”布置，而(固定的)对应电极18布置在测量电极16和20之间。因此，跨越所有电极16、18和20的膜片12可以相对较小面积地构造。这简化了微机械构件的微型化。借助于微机械构件的微型化也能够在制造所述微机械构件时节省材料，因此微机械构件可以相对成本较有利地制造。
测量电极16和20“彼此相叠的”布置(其中，对应电极18布置在测量电极16和20之间)还具有以下优点：在衬底10弯曲时出现第一电容和第二电容的(近似)相同的电容变化。因此，第一电容和第二电容的可归因于衬底10的弯曲的电容变化在求差时自动地“过滤掉”。因此，配备有“彼此相叠地”布置的电极16、18和20的微机械构件对于应力也非常不敏感。
优选地，所述至少一个支架元件22构造在膜片12的相应悬置区域14的“中间区域”中。在该情况下，所述至少一个支架元件22的构造也引起膜片的所述至少一个悬置区域14的“中间区域”的加固部，这在所述至少一个悬置区域14翘曲时引起第一电容和第二电容的电容变化的增大。
优选地，所述至少一个支架元件22分别至少部分地由至少一个电绝缘材料形成，使得第二测量电极20相对于第一测量电极16电绝缘。但不需要所述至少一个支架元件22由其至少一个电绝缘材料的完全构造。足够的是，仅各一个电绝缘的缓冲区域24作为相应的支架元件22的部件存在，如在图1a和1b中示出的那样。因此，所述至少一个支架元件22也可以分别部分地由至少一个能导电的材料、如尤其由为了制造对应电极18沉积的导电材料制造。所述至少一个支架元件22的所述至少一个电绝缘材料例如可以是富含硅的氮化物。
第二测量电极20可以由第一半导体和/或金属层26形成，该第一半导体和/或金属层直接沉积在衬底表面10a上和/或直接沉积在至少部分地遮盖衬底表面10a的至少一个覆盖层28上。至少一个覆盖层28尤其可以理解为至少一个绝缘层28。第二测量电极20的露出可以借助于衬底表面10a和/或位于第一半导体和/或金属层26和衬底表面10a之间的至少一个覆盖层28的部分蚀刻引起。由第一半导体和/或金属层26的材料也可以形成至少一个锚固结构26a，借助于该锚固结构将对应电极18锚固在衬底10上。
对应电极18优选由第二半导体和/或金属层30形成，该第二半导体和/或金属层在第一半导体和/或金属层26的指向离开衬底10方向的一侧上沉积。第二半导体和/或金属层30例如沉积在缓冲材料层、如富含硅的氮化物层和/或至少一个第一牺牲层上。由缓冲材料层可以结构化出所述至少一个支架元件22的所述至少一个电绝缘的缓冲区域24并且必要时还结构化出用于对应电极18的电绝缘的至少一个另外的电绝缘的缓冲区域32。在这种情况下，所述至少一个支架元件22也可以部分地由第二半导体和/或金属层30结构化出，其中，第二测量电极20仍然与第一测量电极16电绝缘。对应电极18的露出可以借助于所述至少一个第一牺牲层的部分蚀刻引起。
第一测量电极16可以由第三半导体和/或金属层34形成，该第三半导体和/或金属层沉积在第二半导体和/或金属层30的指向离开衬底10方向的一侧上。优选地，在这种情况下整个膜片12由第三半导体和/或金属层34形成。第三半导体和/或金属层34例如沉积在至少一个第二牺牲层上。因此，第一测量电极16的露出可以借助于所述至少一个第二牺牲层的部分蚀刻引起。
前面所描述的微机械构件良好地适用于使用在电容式传感器或开关设备中。具有微机械构件的电容式传感器设备例如可以包括分析处理电子部件，该分析处理电子部件设计成用于至少在考虑当前获取的、关于作用在第一测量电极16和对应电极18之间的第一电容与作用在第二测量电极20和对应电极18之间的第二电容之间的差而言的测量参量的情况下确定并且输出关于施加到膜片12的所述至少一个悬置区域14上的力F或相应于力F的物理参量或环境条件而言的测量值。
在图1a和1b的微机械构件中，膜片12这样气密地密封具有存在于其中的参考压力p0的壳体36，使得膜片12的所述至少一个悬置区域14借助于存在于壳体36外部的并且由此也存在于“敏感膜片面”上的、不等于参考压力p0的物理压力p可翘曲/变翘曲。因此，微机械构件良好地适用于使用在设计为电容式压力传感器设备的电容式传感器设备中，该电容式传感器设备的分析处理电子部件设计成用于至少在考虑当前获取的测量参量的情况下确定并输出关于存在于壳体36外部的物理压力p的测量值。
优选地，电极16、18和20这样相对彼此布置，使得如果在所述至少一个悬置区域14上不作用有触发其翘曲的力F，那么在第一测量电极16和对应电极18之间的第一平均间距a1(p＝p0)大于在对应电极18和第二测量电极20之间的第二平均间距a2(p＝p0)(参见图1a)。在第一平均间距a1(p＝p0)和第二平均间距a2(p＝p0)之间的差可以这样选择，使得在存在于膜片外侧14b上的物理压力p等于微机械构件的所谓的工作压力pwork时，第一平均间距a1(p＝pwork)等于第二平均间距a2(p＝pwork)(参见图1b)。微机械构件的工作压力pwork可以理解为在所述微机械构件的运行期间通常/大多存在于膜片外侧14b上的物理压力p。在这种情况下，物理压力p相对于微机械构件的工作压力pwork的偏差导致借助于求差获得的信号，该信号关于物理压力p相对于工作压力pwork的偏差是近似线性的。因此，分析处理电子部件可以相对较简单地构造。
图2a和2b示出微机械构件的第二实施方式的示意性示图。
在制造图2a和2b中以彼此垂直定向的横截面描绘的微机械构件时，在沉积层26、28、30和34之前已经将凹部40结构化到衬底10的衬底表面10a中。这种凹部40在所述至少一个覆盖层28的沉积时引起在凹部40中的空腔，所述空腔加速至少用于蚀刻所述至少一个覆盖层28的蚀刻介质的分配。因此，凹部40可以用作为蚀刻加速结构。图2a和2b也示出所述至少一个第一牺牲层的剩余部38a和所述至少一个第二牺牲层的剩余部38b。
关于图2a和2b的微机械构件的其他特征和特性参见前面描述的实施方式。
图3a至3c示出微机械构件的第三实施方式的示意性示图。
如在图3a和3b中示出，第二测量电极20的电接触可以通过至少一个弹动元件42引导。在图3a和3b的比较中得出，所述至少一个弹动元件42可以针对膜片12的所述至少一个悬置区域14的翘曲做出相对较弹性的反应，并且因此不/几乎不妨碍第二测量电极20随着第一测量电极16一起的期望移位。
对应电极18的电接触和对应电极18与衬底10的机械耦合可以通过至少一个连接元件44实现，该连接元件对于膜片12的所述至少一个悬置区域14的翘曲不做出变形的反应，如在图3b的横截面和与之垂直定向的图3c的横截面中示出的那样。
关于图3a至3c的微机械构件的其他特征和特性参见前面描述的实施方式。
图4a和4b示出微机械构件的第四实施方式的示意性示图。
如在图4a和4b可看出，贯穿槽46可以穿过膜片12结构化，所述贯穿槽之后可以作为“水平的”蚀刻通道特别有利地用于膜片12的下部蚀刻。然后贯穿槽46借助于沉积在膜片12上的密封层48空气密封地封闭。
关于图4a和4b的微机械构件的其他特征和特性参见之前描述的实施方式。
图5示出用于阐释用于电容式传感器或开关设备的微机械构件的制造方法的第一实施方式的流程图。
所有上面描述的微机械构件例如可以借助于此外描述的制造方法生产。但所述制造方法的可实施性不局限于上面所描述的微机械构件的制造。
在方法步骤S1中，具有至少一个悬置区域的膜片这样撑开，使得膜片跨越衬底的衬底表面并且膜片的所述至少一个悬置区域借助于施加到相应的悬置区域上的力可翘曲/变翘曲。
作为方法步骤S2，第一测量电极这样构造在膜片上和/或中，使得第一测量电极在膜片的所述至少一个悬置区域翘曲时置于相对于衬底表面倾斜定向的、关于衬底表面的移位或变形运动中。作为方法步骤S3，将关于衬底表面固定的对应电极这样布置在膜片和衬底表面之间，使得第一测量电极位于对应电极的第一侧上。此外，作为方法步骤S4，将第二测量电极借助于至少一个支架元件悬挂在第一测量电极和/或膜片上，使得第二测量电极借助于所述至少一个支架元件保持在对应电极的指向离开对应电极的第一侧方向的第二侧上并且在膜片的所述至少一个悬置区域翘曲时与置于其移位或变形运动中的第一测量电极一起运动。
如参照下面的描述清楚的是，方法步骤S1至S4不必以这里所述的顺序实施。
这里描述的制造方法也可以用于制造电容式传感器设备。在这种情况下，在可选的方法步骤S5中，电容式传感器设备的分析处理电子部件这样构造，使得分析处理电子部件确定并且输出关于施加到膜片的所述至少一个悬置区域上的力或相应于所述力的物理参量或环境条件而言的测量值，其中，测量值的确定至少在考虑当前获取的、关于作用在第一测量电极和对应电极之间的第一电容与作用在第二测量电极和对应电极之间的第二电容之间的差而言的测量参量的情况下进行。
图6示出用于阐释用于电容式传感器或开关设备的微机械构件的制造方法的第二实施方式的流程图。
作为可选的方法步骤S11，可以将凹部结构化到衬底的衬底表面中。所述凹部可以在之后实施的蚀刻步骤中用作为蚀刻加速结构。优选地，将窄的沟槽作为凹部蚀刻到衬底表面中。
在另外的可选的方法步骤S12中，使至少一个覆盖层、如至少一个绝缘层在衬底的衬底表面上沉积或生长。所述至少一个覆盖层可以被结构化，以便例如能够实现在衬底上的之后的接触区域。如果衬底是硅衬底，那么可以借助于热氧化在衬底表面上产生硅氧化物层作为所述至少一个绝缘层。如果基于前面实施的可选的方法步骤S11将凹部结构化到衬底表面中，使所述至少一个覆盖层这样沉积/形成，使得在凹部中保留空腔，所述空腔加速至少用于蚀刻所述至少一个覆盖层的蚀刻介质的分配。
在方法步骤S13中，将第一半导体和/或金属层直接沉积在衬底表面上和/或直接沉积在至少部分地遮盖衬底表面的所述至少一个覆盖层上。第一半导体和/或金属层例如可以是(掺杂的)多晶硅层。然后实施上面已经描述的方法步骤S4，借助于该方法步骤由第一半导体和/或金属层形成第二测量电极。此外，除了第二测量电极之外附加地还可以由第一半导体和/或金属层结构化出至少一个印制导线。可选地，在第一半导体和/或金属层中或在由此形成的第二测量电极中可以构造有穿孔。
作为可选的方法步骤S14，随后可以沉积缓冲材料层、如富含硅的氮化物层，由该缓冲材料层结构化出(之后的)至少一个支架元件的至少一个电绝缘的缓冲区域并且可能还结构化出用于使(之后的)对应电极电绝缘的至少一个另外的电绝缘的缓冲区域。
作为另外的可选的方法步骤S15，可以沉积至少一个第一辅助层并且使之这样结构化，从而确定随后沉积的第二半导体和/或金属层的之后的层厚度不均匀性。所述至少一个第一辅助层可以由电绝缘材料形成。
然后，作为方法步骤S16，将第二半导体和/或金属层沉积在第一半导体和/或金属层的指向离开衬底方向的一侧上。第二半导体和/或金属层优选是(掺杂的)多晶硅层。借助于上面已经描述的方法步骤S3由第二半导体和/或金属层形成固定的对应电极。第二半导体和/或金属层或由此形成的对应电极也可以设有穿孔。同样地，窄的沟槽可以作为凹部构造在对应电极中，所述凹部之后用作为蚀刻加速结构。
如果希望，那么随后可以在可选的方法步骤S17中沉积至少一个第二牺牲层并且使之结构化，从而确定随后沉积的第三半导体和/或金属层的层厚度不均匀性。所述至少一个第二辅助层也可以由电绝缘材料形成。如果在对应电极中构造蚀刻加速结构，那么所述至少一个第二牺牲层这样沉积，使得加速用于蚀刻的蚀刻介质的分配的空腔保留在对应电极上。
在另外的方法步骤S18中，将第三半导体和/或金属层沉积在第二半导体和/或金属层的指向离开衬底方向的一侧上。也可以沉积(掺杂的)多晶硅层作为第三半导体和/或金属层。随后可以借助于上面已经描述的方法步骤S2由第三半导体和/或金属层形成第一测量电极。优选地，整个膜片由第三半导体和/或金属层形成，使得上面描述的方法步骤S1和S2可以共同地实施。否则方法步骤S1可以在方法步骤S2之后实施，例如通过膜片材料层的沉积。在两种情况下，能够可选择地结构化出通过膜片的穿孔作为“水平的蚀刻通道”。
作为可选的方法步骤S19，然后实施蚀刻方法，借助于该蚀刻方法至少使膜片的所述至少一个悬置区域、第一测量电极和第二测量电极露出。作为蚀刻介质可以使用气态氟化氢、液态氟化氢或含氟化氢的溶液。作为蚀刻介质的蚀刻通道可以使用作为“水平的蚀刻通道”的通过膜片结构化的穿孔和/或存在于膜片的所述至少一个悬置区域外部的至少一个蚀刻通道。在蚀刻方法中也可以使用上面已经描述的蚀刻加速结构。
如果通过膜片结构化出穿孔，那么在方法步骤S19之后在可选的方法步骤S20中将(气密的)密封层沉积在膜片上，使得所述穿孔气密地密封。在此，也可以包含参考压力、例如低于100mbar的参考压力。存在于膜片的所述至少一个悬置区域外部的至少一个蚀刻通道也能够以这种方式封闭。
在实施上面描述的制造方法时，可以这样选择所述至少一个第一牺牲层和所述至少一个第二牺牲层的层厚度，使得如果在膜片的所述至少一个悬置区域上不作用有触发该悬置区域的翘曲的力，那么在第一测量电极和对应电极之间的第一间距大于在对应电极和第二测量电极之间的第二间距。但是，在存在于膜片的膜片外侧上的物理压力p等于微机械构件的所谓的工作压力pwork时，第一间距可以等于第二间距。必要时优选这样实施蚀刻方法，使得所述至少一个第一牺牲层比所述至少一个第二牺牲层更快地蚀刻。
