專利名稱：微機械裝置及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種微機械裝置，包括一具有一些限界面的活動元件和一具有一些限 界面的止擋，所述止擋限制該活動元件的運動，其中，a)所述活動元件具有至少一個限界 面，所述限界面帶有至少一個從所述限界面中伸出的橫銷(Noppe)，所述橫銷用于限制所述 活動元件的運動，和/或，b)所述止擋具有至少一個限界面，所述限界面帶有至少一個從所 述限界面中伸出的橫銷，所述橫銷用于限制所述活動元件的運動。本發明還涉及一種用于 制造微機械裝置的方法。
背景技術：
具有活動元件的微機械裝置的一個例子是加速度傳感器。加速度傳感器是這樣一 種傳感器，該傳感器通過確定作用在測試質量上的慣性力來測量加速度。因此，例如可以確 定是否發生了速度增加或速度減小。加速度傳感器也被稱為加速度測量計或者加速計，還 被稱為B測量計和G傳感器。 最近幾年越來越受重視的一種結構形式是微型化的加速度傳感器。該加速度傳感 器是微機電系統(MEMS)并且由硅制成。這些傳感器是彈簧質量系統，其中，質量由硅制成， 而彈簧也通常僅由幾微米寬的硅制短臂形成。通過加速時的偏移可以在彈簧懸掛的部分和 一固定的基準電極之間測量到電容量的變化。 為了制造這些微型化的傳感器，借助光刻法由硅蝕刻出所述質量和小的硅彈簧。 這類加速度傳感器結合了低的計件成本、小的尺寸、高的堅固性和快速的響應特性。因此， 這些加速度傳感器例如被用于激活機動車中的氣囊。 尤其在傳感器用于相對小的加速度時，粘附(Stiction)是微機械結構的重要品 質風險和產量風險中的一種。以此表示活動的振動質量在機械止擋之后保持附著。在此， 附著傾向由粘附力產生并且此外由靜電吸引力產生。為了減小附著傾向，除了所述的防粘 附涂層(ASC)之外，還使用一些特殊成形的止擋元件，通過防粘附涂層使這些表面鈍化以 減小這些表面的粘附傾向，這些止擋元件在振動質量的運動方面限制振動質量。為此主要 使用止擋橫銷，這些止擋橫銷基本上具有以下任務，即，減小振動質量和止擋之間的接觸面 積。但是，由于止擋面積的減小，振動質量和止擋之間的保持力也減小，以至于振動質量不 會如此容易地保持"粘附"或者說附著。 出于工藝技術上的原因，目前橫銷的最小寬度通常限于2至3ym。因此，在硅功能 層厚度為10至20 ii m時得出每個止擋橫銷的最小止擋面積為約20至40 ii m2。
所提到的問題和缺點也出現在具有活動元件的其它微機械裝置中，例如出現在 振動回轉儀和麥克風形式的轉速傳感器中。振動回轉儀(英語Vibrating structure gyroscope,簡稱VSG)由一能振動的系統組成，例如借助微機械式方法由硅制成。如果轉速 傳感器垂直于其偏移方向以一角速度旋轉，則科氏力垂直于偏移方向且垂直于旋轉軸線作 用。合成的檢測偏移然后可以由檢測器件、例如電容式電極檢測。在振動回轉儀中，一活動 元件(類似于加速度傳感器中的振動質量)主動地沿一個方向運動(也就是說置身于振動中)并且測量與該方向橫向的方向上的偏移。而在(MEMS)麥克風中，膜片就是振動元件。 在此，例如在聲壓過高時可能導致膜片通振(Durchschwingen)直到一以小間距設置的背 板上并且接著保持附著在該背板上。
發明內容
現在本發明的目的是，進一步減小活動元件在止擋元件上的附著傾向。
本發明的目的通過按本發明的微機械裝置和按按本發明的制造方法實現。
相應地提出了一種微機械裝置，包括
具有一些限界面的活動元件，禾口 具有一些限界面的止擋，所述止擋限制所述活動元件的運動，其中 a)所述活動元件由至少一個第一層和一個第二層組成，所述第一層和第二層這樣
地布置，使得它們分割至少一個限界面，至少一個僅僅設置在所述第一層中的橫銷從所述
限界面中伸出，所述橫銷用于限制所述活動元件的運動，和/或 b)所述止擋由至少一個第一層和一個第二層組成，所述第一層和第二層這樣地布 置，使得它們分割至少一個限界面，至少一個僅僅設置在所述第一層中的橫銷從所述限界 面中伸出，所述橫銷用于限制所述活動元件的運動。 相應地也提出了一種用于制造微機械裝置的方法，包括以下步驟 將一第二層施加到一第一層上以形成具有一些限界面的活動元件，其中，所述第
一層和第二層這樣地設置，使得它們分割至少一個限界面， 在所述第一層中形成至少一個橫銷，其中，所述至少一個橫銷從所述至少一個限 界面中伸出，禾口 形成一止擋，所述止擋設置用于在與所述至少一個橫銷接觸時限制所述活動元件 的運動。 最后也相應地提出了一種用于制造微機械裝置的方法，包括以下步驟
形成一活動元件， 將第二層施加到第一層上以形成具有一些限界面的止擋，其中，所述第一層和第 二層這樣地設置，使得它們分割至少一個限界面， 在所述第一層中形成至少一個橫銷，其中，所述至少一個橫銷從所述至少一個限 界面中伸出并且設置用于限制所述活動元件的運動。 活動元件在沒有力的作用時位于靜止位置中并且在外部力(例如由加速度或者 空氣壓力或聲壓產生)的作用下偏移。在超過力的極限值時，借助止擋阻止活動元件繼續 運動。如果力再次下降到極限值以下，則活動元件本應該立即再次往回運動。但是由于附 著現象，所述活動元件保持"粘附"或者說附著在止擋上。附著力可能如此高，使得活動元件 即便在力下降時或者即使在沿相反方向的力下也不再從止擋松開。因此傳感器不能使用。 但是即便附著力沒有那么高并且活動元件在低于一確定的力時再次松開，傳感器僅有限地 適用，因為所提到的效應導致令人不快的滯后。因此，按本發明減小附著面積，所述附著面 積的大小嚴重地影響到附著。盡管在現有技術中已經使用了橫銷，但是這些橫銷布滿活動 元件的和/或止擋的整個高度。但是按本發明，橫銷現在設置在相對薄的層中并且因此明 顯小于已知解決方案中的橫銷。因此，附著傾向和不期望的滯后可以被顯著地減小。橫銷在此可以僅設置在活動元件上、僅設置在止擋上或者設置在這兩個元件上。由于在MEMS工 藝中工件通常在很大程度上相互獨立的層中進行加工(例如蝕刻)，因此橫銷在這種工藝 中可以相對容易地制造。因此，本發明可以成功地在MEMS工藝中應用，但是并不限于此。
在這里指出，所述的方法步驟的順序不是強制性的，而是也可以改變。因此，技術 人員能毫不費力地改變所示的方法，以便與他所選擇的具體工藝過程相適配。可行的且有 利的是例如以下的方法步驟的順序
a)沉積一第一層， b)使所述第一層結構化，其中，形成橫臂， c)沉積一消耗層(Opferschicht)，例如一氧化層， d)使所述消耗層結構化，尤其是在這樣的位置中去除該消耗層，在所述位置中在 隨后的步驟中沉積的第二層應當直接地與第一層接觸(因此，在橫臂的區域中不去除消耗 層)， e)沉積所述第二層， f)使所述第二層結構化并且在去除了消耗層的位置使第一層結構化，其中，橫臂 上方的消耗層用作蝕刻阻擋，和 g)例如通過氣相蝕刻去除消耗層以露出微機械結構。 本發明的有利的設計方式和擴展方式由權利要求書以及由結合附圖中的圖的說 明書得出。 有利的是，既實施情況a)又實施情況b)，并且，所述活動元件的所述至少一個橫 銷和所述止擋的所述至少一個橫銷被這樣地構造，使得所述活動元件的所述至少一個橫銷 在限制所述活動元件的運動時與所述止擋的所述至少一個橫銷共同作用。在此，當活動元 件觸碰到止擋時，該活動元件的橫銷與止擋的橫銷共同作用，即完全或部分地相互觸碰。以 這種方式特別好地減小了附著傾向。 同樣有利的是，僅僅實施情況a)或者情況b)，并且， 在情況a)中，所述止擋具有連續的限界面，所述限界面用于限制所述活動元件的 運動，或者， 在情況b)中，所述活動元件具有連續的限界面，所述限界面用于限制所述活動元 件的運動。 在這種結構形式中，僅有活動元件或者僅有止擋具有橫銷。在第一種情況下，止擋 的限界面是連續的，即不具有任何橫銷。在第二種情況下，活動元件的限界面是連續的，即 不具有任何橫銷。該結構形式的特點在于其相對簡單。
此外有利的是，僅僅實施情況a)或者情況b)，并且， 在情況a)中，所述止擋由至少一個第一層和一個第二層組成，所述第一層和第二
層這樣地布置，使得它們分割至少一個限界面，至少一個設置在所述第一層和第二層中的
橫銷從所述限界面中伸出，所述橫銷用于限制所述活動元件的運動，或者， 在情況b)中，所述活動元件由至少一個第一層和一個第二層組成，所述第一層和
第二層這樣地布置，使得它們分割至少一個限界面，至少一個設置在所述第一層和第二層
中的橫銷從所述限界面中伸出，所述橫銷用于限制所述活動元件的運動。 在這種結構形式中，僅有活動元件或者僅有止擋具有一些橫銷，這些橫銷僅設置在較薄的第一層中。而在第一種情況下，止擋的限界面具有一些橫銷，這些橫銷位于這兩個 層中。在第二種情況下，活動元件的限界面具有一些橫銷，這些橫銷位于這兩個層中。該實 施形式的特點在于其構造同樣相對簡單。 有利的是，所述活動元件的第一層形成所述活動元件的限界面的不足20%，并且 尤其是不足10 % ，和/或，所述止擋的第一層形成所述止擋的限界面的不足20 % ，并且尤其 是不足10%。通過該措施可以顯著地減小附著傾向。在一種常規的層結構中，如為MEMS技 術所采用的層結構那樣，帶有橫銷的層具有活動元件的或者止擋的總高度的不足20%或者 10%。 也有利的是，所述活動元件的所述至少一個橫銷的面積形成所述活動元件的限界 面的不足4% ，并且尤其是不足2% ，和/或，所述止擋的所述至少一個橫銷的面積形成所述 止擋的限界面的不足4%，并且尤其是不足2%。在這種結構形式中，一個橫銷在一種常規 的層結構中(如為MEMS技術所采用的層結構那樣)具有活動元件的或者止擋的總寬度的 不足20%或者10%。因此得到了一個用于橫銷的面，該面小于活動元件的或者止擋的限界 面的4%或者2%。 此外有利的是，所述活動元件的所述至少一個橫銷的面積和/或所述止擋的所述 至少一個橫銷的面積小于10ym2。上述的百分比數據僅有條件地說明了保持力的絕對大 小。因此，在這里為橫臂的絕對大小給出了有利的上限。因此，在活動元件具有當前常見的 大小時，只要一個逆著保持力的相對小的力(例如質量的加速度或者彈簧的逆著保持力的 回復力)就足以使活動元件再次從止擋上松脫。 最后當活動元件的形成包括以下步驟時，得到微機械裝置的一種有利的制造方 法 將第二層施加到第一層上以形成具有一些限界面的活動元件，其中，所述第一層 和第二層這樣地設置，使得它們分割至少一個限界面，禾口 在所述第一層中形成至少一個橫銷，其中，所述至少一個橫銷從所述至少一個限 界面中伸出，其中， 所述活動元件的所述至少一個橫銷和所述止擋的所述至少一個橫銷這樣地構造， 使得所述活動元件的所述至少一個橫銷在限制所述活動元件的運動時與所述止擋的所述 至少一個橫銷共同作用。 在此，當活動元件觸碰到止擋時，該活動元件的橫銷與止擋的橫銷共同作用，即完
全或部分地相互觸碰。以這種方式能夠特別好地減小附著傾向。 本發明的以上設計形式和擴展方式允許以任意方式和方法組合。
下面借助在附圖的示意圖中給出的實施例詳細地闡述本發明。在此示出 圖1示出一種按本發明的微機械裝置的示意圖； 圖2示出一種用于活動元件或止擋的限界面的變型； 圖3示出用于活動元件或止擋的橫銷的變型； 圖4示出本發明的一種變型，其中豎直地設置有三個層。
具體實施例方式
在附圖的圖中，相同的和功能相同的元件和特征(只要沒有設計成其它樣子)用 相同的附圖標記表示。 圖1示出加速度傳感器1形式的微機械裝置，該微機械裝置具有一振動質量2形 式的活動元件和一些止擋4，這些止擋4限制了振動質量2的運動。振動質量2由第一層 2a和第二層2b組成。在第一層2a中設置有一些橫銷3，這些橫銷3從振動質量2的限界 面A(陰影地示出)伸出。這些止擋4同樣由第一層4a和第二層4b組成。在第一層4a中 設置有一些橫銷5，這些橫銷5從所述止擋4的限界面B(陰影地示出)伸出。為了更好地 理解，圖1中右邊的止擋被透明地示出。
圖1中示出的加速度傳感器1的功能現在如下。 在靜止位置中，也就是在沒有加速度的影響下，振動質量2位于兩個止擋4之間的 中心。如果現在有一個外部的加速度作用在加速度傳感器1上，則振動質量2接近一止擋 4。在所示的例子中，由此得出，振動質量2接近圖1中右邊的止擋4。在超過結構上預給定 的極限加速度時，振動質量2的橫銷3觸碰到止擋4的橫銷5。因此，振動質量2不能再繼 續偏移。 如果加速度重新降到極限值以下，則振動質量2本應當立即再次往回運動。但是 由于附著現象，振動質量2保持"粘附"在止擋4上。附著力可以如已經提到的那樣高，使得 振動質量2即便在加速度下降時或者即使在沿相反方向的加速度下也不再從止擋4松開， 因此加速度傳感器1完全失效。但是即便附著力沒有那么高并且振動質量2在低于一確定 的加速度時再次從止擋4松開，加速度傳感器1也僅有限地適用，因為所提到的效應導致在 獲取測量值時令人不快的滯后。因此，按本發明減小附著面積，該附著面積的大小影響到附 著。根據現有技術，橫銷布滿整個限界面A(類似于圖3針對止擋所示的那樣)。但是這些 橫銷3按本發明現在設置在第一層2a中并且因此明顯小于已知解決方案中的橫銷。因此， 附著傾向和不期望的滯后可以顯著地減小。在所示的例子中，止擋4與振動質量2類似地 構造，即，同樣在止擋4的僅第一層4a中具有橫銷5。 通過在制造加速度傳感器1時的相應加工，例如通過蝕刻，可以相對簡單地制造 橫銷3和5。在此，這些層2a、2b和4a、4b的布置非常適合于MEMS工藝中的材料加工。
在這里指出，為了更好的清晰度，沒有示出彈簧，這些彈簧與振動質量2形成一個 彈簧質量系統。同樣地沒有示出前止擋和后止擋。盡管在圖l中在兩個正交的方向上用箭 頭表示了振動質量2的運動，但是也可能的是，本發明也涉及這樣一些加速度傳感器，這些 加速度傳感器可以測量沿單純一個方向的加速度或者也可以測量所有三個維度的加速度。 技術人員能夠毫不費力地將此處公開的教導應用到其它的結構形式上。
此外指出，這些層2a和2b的或者4a和4b的布置僅僅是很多可能性中的一種。毫 無疑問，例如也可以想到豎直的或者傾斜的層。在此重要的是，限界面A或限界面B通過這 些層2a、2b或4a、4b細分，以便能夠制造相應小的橫銷3或橫銷5。 圖2示出一種止擋4的變型，該止擋不具有任何橫銷5。因此，在這種情況下，(未 示出的)振動質量2僅在第一層2a中具有相應的橫銷3，以至于避免了振動質量2的整個 限界面A與止擋4的整個限界面B的貼靠。以這種方式能夠阻止出現過高的保持力。顯然， 當止擋4具有相應的橫銷5時，振動質量2也可以構造成沒有橫銷。在這里，在功能上僅有很小的差別。 圖3示出了止擋4的另一種變型，該止擋4在整個限界面B上具有橫銷5。因此， 在這種情況下，(未示出的)振動質量2再次僅在第一層2a中具有相應的橫銷3，以至于避 免了振動質量2的整個限界面A與止擋4的整個限界面B的貼靠。以這種方式能夠再次阻 止出現過高的保持力。顯然，當止擋4具有相應的橫銷5時，振動質量2在此也可以構造為 具有高的橫銷。在這里，在功能上僅有很小的差別。 圖4最后示出了本發明的一種變型，其中振動質量2由三個豎直的層2a、2b和2c 構成并且一橫銷3設置在第一層2a中。止擋4同樣由三個豎直的層4a、4b和4c構成并且 在第一層2a中具有一橫銷5。所述橫銷3和橫銷5在此設置在限界面A和B的對角地相對 置的角部中。 在這里指出，在所有變型中，第一層2a都可以由與第二層2b相同的材料制成或者
由各種不同的材料制成。在所有的變型中，在第一層2a和第二層2b之間也可以設置一間
隔層。相同的內容以類似的方式適用于止擋4的第一層4a和第二層4b。 最后指出，即便本發明僅僅根據加速度傳感器的專門應用情形做了說明，本發明
仍涉及大量的應用情形。但是對于技術人員來說容易并且因此在他的能力范圍之內的是，
針對他的需要、例如針對轉速傳感器和麥克風匹配本發明。
權利要求
微機械裝置(1)，包括具有一些限界面(A)的活動元件(2)，和具有一些限界面(B)的止擋(4)，所述止擋限制所述活動元件(2)的運動，其中a)所述活動元件(2)由至少一個第一層(2a)和一個第二層(2b)組成，所述第一層(2a)和第二層(2b)這樣地布置，使得它們分割至少一個限界面(A)，至少一個僅僅設置在所述第一層(2a)中的橫銷(3)從所述限界面(A)中伸出，所述橫銷(3)用于限制所述活動元件(2)的運動，和/或b)所述止擋(4)由至少一個第一層(4a)和一個第二層(4b)組成，所述第一層(4a)和第二層(4b)這樣地布置，使得它們分割至少一個限界面(B)，至少一個僅僅設置在所述第一層(4a)中的橫銷(5)從所述限界面(B)中伸出，所述橫銷(5)用于限制所述活動元件(2)的運動。
2. 如權利要求l的微機械裝置(l)，其特征在于，既實施情況a)又實施情況b)，并且，所述活動元件(2)的所述至少一個橫銷(3)和所述止擋(4)的所述至少一個橫銷(5)被這樣地構造，使得所述活動元件(2)的所述至少一個橫銷(3)在限制所述活動元件(2)的運動時與所述止擋(4)的所述至少一個橫銷(5)共同作用。
3. 如權利要求l的微機械裝置(l)，其特征在于，僅僅實施情況a)或者情況b)，并且，在情況a)中，所述止擋(4)具有連續的限界面(B)，所述限界面(B)用于限制所述活動元件(2)的運動，或者，在情況b)中，所述活動元件(2)具有連續的限界面(A)，所述限界面(A)用于限制所述活動元件(2)的運動。
4. 如權利要求1的微機械裝置(l)，其特征在于，僅僅實施情況a)或者情況b)，并且，在情況a)中，所述止擋(4)由至少一個第一層(4a)和一個第二層(4b)組成，所述第一層(4a)和第二層(4b)這樣地布置，使得它們分割至少一個限界面(B)，至少一個設置在所述第一層(4a)和第二層(4b)中的橫銷(5)從所述限界面(B)中伸出，所述橫銷(5)用于限制所述活動元件(2)的運動，或者，在情況b)中，所述活動元件(2)由至少一個第一層(2a)和一個第二層(2b)組成，所述第一層(2a)和第二層(2b)這樣地布置，使得它們分割至少一個限界面(A)，至少一個設置在所述第一層(2a)和第二層(2b)中的橫銷(3)從所述限界面(A)中伸出，所述橫銷(3)用于限制所述活動元件(2)的運動。
5. 如上述權利要求之一的微機械裝置(l)，其特征在于，所述活動元件(2)的第一層(2a)形成所述活動元件(2)的限界面(A)的不足20%，和/或，所述止擋(4)的第一層(4a)形成所述止擋(4)的限界面(B)的不足20%。
6. 如上述權利要求之一的微機械裝置(l)，其特征在于，所述活動元件(2)的所述至少一個橫銷(3)的面積形成所述活動元件(2)的限界面(A)的不足4%，和/或，所述止擋(4)的所述至少一個橫銷(5)的面積形成所述止擋(4)的限界面(B)的不足4%。
7 . 如上述權利要求之一的微機械裝置(l)，其特征在于，所述活動元件(2)的所述至少一個橫銷(3)的面積和/或所述止擋(4)的所述至少一個橫銷(5)的面積小于10 ym2。
8. 用于制造微機械裝置(1)的方法，包括以下步驟將一第二層(2b)施加到一第一層(2a)上以形成具有一些限界面(A)的活動元件(2)，其中，所述第一層(2a)和第二層(2b)這樣地設置，使得它們分割至少一個限界面(A)，在所述第一層(2a)中形成至少一個橫銷(3)，其中，所述至少一個橫銷(3)從所述至少一個限界面(A)中伸出，禾口形成一止擋(4)，所述止擋(4)設置用于在與所述至少一個橫銷(3)接觸時限制所述活動元件(2)的運動。
9. 用于制造微機械裝置(1)的方法，包括以下步驟形成活動元件(2)，將一第二層(4b)施加到一第一層(4a)上以形成具有一些限界面(B)的止擋(4)，其中，所述第一層(4a)和第二層(4b)這樣地設置，使得它們分割至少一個限界面(B)，在所述第一層(4a)中形成至少一個橫銷(5)，其中，所述至少一個橫銷(5)從所述至少一個限界面(B)中伸出并且設置用于限制所述活動元件(2)的運動。
10. 如權利要求9的方法，其特征在于，形成活動元件(2)包括將第二層(2b)施加到第一層(2a)上以形成具有一些限界面(A)的活動元件(2)，其中，所述第一層(2a)和第二層(2b)這樣地設置，使得它們分割至少一個限界面(A)，和在所述第一層(2a)中形成至少一個橫銷(3)，其中，所述至少一個橫銷(3)從所述至少一個限界面(A)中伸出，其中，所述活動元件(2)的所述至少一個橫銷(3)和所述止擋(4)的所述至少一個橫銷(5)這樣地構造，使得所述活動元件(2)的所述至少一個橫銷(3)在限制所述活動元件(2)的運動時與所述止擋(4)的所述至少一個橫銷(5)共同作用。
全文摘要
本發明涉及一種微機械裝置，其包括具有一些限界面(A)的活動元件(2)；和具有一些限界面(B)的止擋(4)，該止擋限制所述活動元件(2)的運動。在此，所述活動元件(2)由至少一個第一層(2a)和一個第二層(2b)組成，所述第一層(2a)和第二層(2b)這樣地布置，使得它們分割至少一個限界面(A)，至少一個僅僅設置在所述第一層(2a)中的橫銷(3)從所述限界面(A)中伸出，所述橫銷(3)用于限制所述活動元件(2)的運動。替代地或附加地，所述止擋(4)類似于所述活動元件(2)地構造。最后也涉及一種用于制造按本發明的微機械裝置(1)的方法。
文檔編號G01P15/097GK101786591SQ20101010399
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月27日 優先權日2009年1月27日
發明者J·克拉森 申請人:羅伯特·博世有限公司