DE19617666A1 - Mikromechanischer Drehratensensor - Google Patents
Mikromechanischer DrehratensensorInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen
Drehratensensor nach der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs. Aus der EP 461 761 ist bereits ein
mikromechanischer Drehratensensor bekannt, der eine
Ringstruktur, die zu Schwingungen angeregt werden kann,
aufweist. Durch eine Drehung des Rings um seine Zentralachse
werden die Schwingungsknoten verschoben. In den
Schwingungsknoten sind Nachweiselemente angeordnet, die
diese Verschiebung nachweisen. Die Ringstruktur ist aus
einem plattenförmigen Element herausstrukturiert, wobei der
oszillierende Teil durch Federelemente mit dem Rest der
Plattenstruktur verbunden ist. Die Plattenstruktur kann dann
zwischen weiteren Platten angeordnet werden, um Mittel für
die Anregung der Schwingungen oder Mittel zum Nachweis der
Verschiebung der Schwingungsknoten auszubilden.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden
Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, daß der Ring, die Mittel zur Anregung und die
Nachweiselemente zusammen in einem Herstellungsverfahren
gefertigt werden. Durch diese gleichzeitige Herstellung
werden die Herstellungskosten verringert. Weiterhin werden
so die relativen Abmessungen zwischen den einzelnen
Elementen durch ein und dasselbe Herstellungsverfahren
festgelegt, wodurch sich genauere Toleranzen erzielen
lassen. Weiterhin lassen sich die erfindungsgemäßen Sensoren
in großen Stückzahlen durch parallele Herstellungsprozesse
fertigen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des Sensors nach dem unabhängigen
Patentanspruch möglich. Die Anregung der Schwingungen
beziehungsweise der Nachweis der Verschiebung der
Schwingungsknoten erfolgt zweckmäßigerweise durch kapazitive
Elemente. Dazu werden an dem Ring bewegliche Elektroden und
auf dem Substrat feststehende Elektroden vorgesehen. Die
feststehenden Elektroden werden jeweils mit Lagerblöcken mit
dem Substrat verbunden. Durch Isolationsschichten können die
Lagerblöcke vollständig dielektrisch gegen das Substrat
isoliert werden. Weiterhin kann eine derart verwendete
Isolationsschicht auch als Opferschicht für die
Ringstruktur, Schwingfedern und bewegliche Elektroden
verwendet werden. Durch die Verwendung von monokristallinem
Siliciummaterial lassen sich Drehratensensoren schaffen, die
keinerlei mechanischen Alterungsprozessen unterworfen sind.
Polysiliciumelemente lassen sich besonders einfach fertigen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer
schwingenden Ringstruktur, Fig. 2 ein erstes
Ausführungsbeispiel für einen Drehratensensor, Fig. 3 ein
Detail eines weiteren Ausführungsbeispiels, die
Fig. 4 bis 6 ein erstes Herstellungsverfahren und die
Fig. 7 ein zweites Herstellungsverfahren für die Sensoren.
In der Fig. 1 wird schematisch ein oszillierender Ring
gezeigt, der im ersten Schwingungsmode schwingt. Dabei wird
der zunächst kreisrunde Ring derart verformt, daß sich zwei
gegenüberliegende Seiten voneinander verformen und die
gegenüberliegenden Seiten, die zu den ersten Seiten um 90°
versetzt angeordnet sind, einander näherkommen. Die
Verformung der zweiten Halbphase der Schwingung entspricht
der ersten Halbphase, wobei dabei jedoch die Verformung um
90° verdreht auftritt. In der Fig. 1 werden die beiden
maximalen Verformungszustände der beiden Halbphasen
dargestellt. Wie zu erkennen ist, weist die Ringstruktur
vier Schwingungsbäuche 1 und vier Schwingungsknoten auf. An
den Schwingungsbäuchen treten jeweils die maximalen
Auslenkungen der Ringstruktur auf, während die Ringstruktur
in den Schwingungsknoten wenig ausgelenkt wird. Wenn eine
derartig schwingende Ringstruktur um die Zentralachse
gedreht wird, so treten aufgrund der dadurch verursachten
Coriolis-Beschleunigung zusätzliche Kräfte auf, die die rage
der Schwingungsknoten verschieben. Es kommt daher an diesen
Stellen auch zu Auslenkungen, die ein Maß für die Drehung
sind. Dieser Effekt wird vom erfindungsgemäßen
Drehratensensor genutzt.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine konkrete Ausführung
eines Sensors. Auf einem Substrat 4 ist ein frei beweglicher
Ring 3 erzeugt, der durch Schwingfedern 5 an einem
Zentrallagerblock 6 aufgehängt ist. Der Zentrallagerblock 6
ist fest auf dem Substrat 4 verankert, während hingegen die
Schwingfedern 5 und der Ring 3 einen Abstand zum Substrat 4
aufweisen und frei beweglich sind.
Um den Ring herum, jeweils um 90° versetzt, sind vier
Antriebe 10 angeordnet. Weiterhin sind vier
Nachweiselemente 20 vorgesehen, die jeweils vom Mittelpunkt
des Rings 3 aus gesehen untereinander einen Winkel von 90°
aufweisen. Ausgehend vom Mittelpunkt sind die Antriebe 10
jeweils um 45° versetzt zu den Nachweiselementen 20
angeordnet. In der Fig. 2 werden auch zwei rechtwinklige
Koordinatensysteme XY und AB gezeigt, die jeweils den
Antrieben 10 und den Nachweiselementen 20 zugeordnet werden
können. Vom Mittelpunkt des Rings 6 aus gesehen liegen die
Antriebe in positiver und negativer X- und Y-Richtung und
die Nachweiselemente in positiver und negativer
A- und B-Richtung. Jeder Antrieb 10 weist feststehende
Elektroden 11 und bewegliche Elektroden 12 auf. Die
feststehenden Elektroden 11 sind durch Lagerblöcke 13 mit
dem Substrat 4 verankert. Die beweglichen Elektroden 12 sind
am Ring 3 befestigt. Jedes Nachweiselement 20 weist
feststehende Elektroden 21 und bewegliche Elektroden 22 auf.
Die feststehenden Elektroden 21 sind an Lagerblöcken 23 mit
dem Substrat 4 verbunden. Die beweglichen Elektroden 22 sind
mit dem Ring 3 verbunden. Die beweglichen Elektroden 12, 22
von Antrieb 10 und Nachweiselement 20 können jeweils
zusammen mit dem Ring 3 bewegt werden. Die feststehenden
Elektroden 11, 21 sind durch die Lagerblöcke 13, 23 jeweils
fest mit dem Substrat verbunden und somit starr.
Die Vorrichtung nach der Fig. 2 wird durch Anlegen von
elektrischen Spannungen an den Antrieben 10 in Schwingungen
versetzt. Dazu werden immer wechselseitig einander
gegenüberliegende Antriebe 10 mit einer Spannung
beaufschlagt, durch die die beweglichen Elektroden 12 in die
feststehenden Elektroden 11 hereingezogen werden. Dabei
werden immer die gegenüberliegenden Antriebe 10 gleichzeitig
angesteuert, beispielsweise zunächst die Antriebe in
positiver und negativer Y-Richtung und in der nächsten
Halbschwingung die Antriebe in positiver und negativer
X-Richtung. Wenn diese Anregeung in der Eigenschwingung des
Ringes 10 für die erste Grundschwingung, die in der Fig. 1
erläutert wurde, erfolgt, so wird die erste Eigenschwingung
des Rings 3 angeregt. Bei dieser Schwingung sind die
beweglichen Elektroden 22 der Nachweiselemente 20 jeweils in
Schwingungsknoten mit dem Ring 3 verbunden, so daß keine
merklichen Auslenkungen der beweglichen Elektroden 22 der
Nachweiselemente 20 erfolgen. Wenn jedoch eine Drehung des
Sensors um eine Achse erfolgt, die senkrecht zum Substrat 4
ist, so werden die Schwingungsknoten des Rings 3 verschoben
und die beweglichen Elektroden 22 der Nachweiselemente 20
werden relativ zu den feststehenden Elektroden 21
verschoben. Dieses Verschieben kann durch eine
Kapazitätsmessung zwischen den beweglichen Elektroden 22 und
den feststehenden Elektroden 21 nachgewiesen werden und ist
ein Maß für die Drehung des Substrats 4.
Es sind natürlich beliebige andere Anordnungen von
Antrieb 10 und Nachweiselement 20 denkbar. In der Fig. 3
wird ein weiteres Beispiel für ein Nachweiselement 20
gezeigt, bei dem jedoch die feststehenden Elektroden 21, die
beweglichen Elektroden 22 und die Lagerblöcke 23 auf der
Innenseite des Rings 3 angeordnet sind. Durch diese
Anordnung kann der Platzbedarf für den Sensor verringert
werden. Ebenso können auch Antriebselemente 10 auf der
Innenseite des Rings 3 angeordnet werden oder die
Schwingbalken 5 können beispielsweise außerhalb des Rings 3
angeordnet werden.
In den Fig. 4, 5 und 6 wird ein erstes
Herstellungsverfahren für die Sensoren erläutert. Das
Verfahren geht aus von einem sogenannten SOI-Aufbau (Silicon
on Insulator), bei dem auf einem Siliciumsubstrat 31 eine
Isolationsschicht 32 und darauf eine Siliciumschicht 33
aufgebracht ist. Das Siliciumsubstrat 31 hat in der Regel
eine Dicke von einigen hundert Mikrometern, die
Isolationsschicht eine Dicke von einigen Mikrometern und die
Siliciumschicht 33 eine Dicke von einigen Mikrometern bis
einigen zehn Mikrometern. Typische Abmessungen wären 500
Mikrometer für das Siliciumsubstrat, 2 Mikrometer für die
Isolationsschicht 32 und 15 Mikrometer für die
Siliciumschicht 33. Ein derartiger Aufbau kann auf
verschiedene Weisen hergestellt werden. Durch Verbinden
zweier Siliciumwafer mittels einer dazwischenliegenden
Isolationsschicht und Abdünnen eines des Siliciumwafers kann
ein Aufbau wie er in der Fig. 4 gezeigt wird, geschaffen
werden. Dabei besteht dann die Siliciumschicht 33 aus
einkristallinem Silicium. Dieses Material ist im besonderen
Maße für die Herstellung von mechanischen Strukturen
geeignet, die auf Biegung belastet werden, da bei
einkristallinen Materialien keine durch Biegung verursachten
Alterungsprozesse des Materials auftreten. Eine weitere
Möglichkeit, den Aufbau nach der Fig. 4 herzustellen,
besteht darin, auf einem Siliciumwafer zunächst eine
Isolationsschicht und dann auf der Isolationsschicht eine
Polysiliciumschicht abzuscheiden. Wenn die
Polysiliciumschicht in Apparaturen abgeschieden wird, die
normalerweise für Epitaxieschichten verwendet werden, so
lassen sich dabei auch große Schichtdicken in der
Größenordnung von einigen zehn Mikrometern realisieren. Die
Isolationsschicht 32 besteht bevorzugt aus Siliciumoxid
(SiO2), Siliciumnitrit (Si3N4) oder einer Mischung beider
Materialien. Es ist auch möglich, die Isolationsschicht 32
nicht auf der gesamten Oberfläche des Siliciumsubstrats 31
abzuscheiden, sondern in bestimmten Bereichen, insbesondere
den Bereichen, in denen ein Lagerblock 13, 23, 6 mit dem
Substrat verbunden werden soll, die Oberfläche des
Substrats 31 nicht mit der Isolationsschicht zu bedecken. In
diesem Falle sollte jedoch eine Isolation von Substrat 31
und Siliciumschicht 33, beispielsweise durch
unterschiedliche Dotierstofftypen sichergestellt werden.
In einem weiteren Schritt wird dann eine Metallisierung 34
aufgebracht und strukturiert. Dies erfolgt vor allen Dingen
da, wo Lagerblöcke vorgesehen sind, die dann mit Bonddrähten
kontaktiert werden sollen. Danach wird eine Ätzmaskierung 35
aufgebracht, die beispielsweise aus einem Fotolack bestehen
kann. Diese Ätzmaskierung 35 enthält die Strukturen für den
Sensor, wie er in der Fig. 2 in der Draufsicht gezeigt
wird.
Durch Ätzen wird dann die Struktur der Ätzmaske 35 in die
obere Siliciumschicht 33 eingeätzt. Die Ätzung wird dabei so
lange durchgeführt, bis die Isolationsschicht 32 freiliegt.
In einem nachfolgenden Ätzschritt wird dann die
Isolationsschicht 32 geätzt. Dieser Zustand wird in der
Fig. 6 gezeigt. In der Fig. 6 wird exemplarisch ein
Querschnitt durch einen Ring 3, einen zentralen
Lagerblock 6, feststehenden Elektroden 21, beweglichen
Elektroden 22 und einem Lagerblock 23 gezeigt. Die Abstände
zwischen den einzelnen Elementen sind jedoch aus Gründen
einer einfacheren Darstellung verzerrt dargestellt. Wie im
Querschnitt der Fig. 6 zu erkennen ist, ist der
Lagerblock 6 und der Lagerblock 23 durch die
Isolationsschicht 32 fest mit dem Siliciumsubstrat 31
verbunden, während hingegen unter dem Ring 3 und den
Elektroden 21, 22 keinerlei Isolationsschicht 32 mehr
angeordnet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die
geometrischen Abmessungen des Rings 3 und der
Elektroden 21, 22 vergleichsweise gering sind im Vergleich
zu den Lagerblöcken 6, 23. Der isotrope Ätzprozeß der
Isolationsschicht 32 wird nach einer vorgegebenen Zeit
abgebrochen, so daß die Strukturen mit einer geringen
lateralen Ausdehnung, wie Ring 3 und Elektroden 21, 22
komplett unterätzt werden, während die Lagerbereiche 6, 23,
die eine große laterale Ausdehnung aufweisen, nur
geringfügig unterätzt werden. Es kann so durch einen
einfachen Herstellungsprozeß, der zudem nur wenige
Maskenebenen erfordert, ein komplexer Drehratensensor
hergestellt werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß die
relativen Abstände aller Elemente des Sensors mit einem
einzigen Maskenschritt definiert werden. Es können so
besonders gut reproduzierbare Abstände erzielt werden.
In der Fig. 7 wird ein zweites Herstellungsverfahren
erläutert. Dieses Verfahren geht aus von einem isolierenden
Substrat 101, auf dem eine Metallschicht 102 aufgebracht
wird. Danach wird auf der Metallschicht 102 eine
strukturierbare Schicht 103 aufgebracht und strukturiert.
Die in die Schicht 103 aufgebrachte Struktur entspricht der
Aufsicht auf den Sensor wie er in der Fig. 2 gezeigt wird.
Überall dort, wo Sensorelemente gelegen sind, wird die
strukturierbare Schicht 103 entfernt. Die Strukturierung der
Schicht 103 erfolgt dabei soweit, daß die darunterliegende
Metallschicht 102 freiliegt. Durch einen galvanischen
Abscheidungsprozeß, der auf der Metallschicht 102 startet,
werden dann die in der strukturierbaren Schicht 103
ausgebildeten Hohlräume mit einem Metall, beispielsweise
Nickel, aufgefüllt. Diese Abscheidung wird gestoppt bevor
die Metallisierung über die strukturierbare Schicht 103
hinaus wächst. Die so gebildeten Metallstrukturen 104 bilden
somit alle Elemente, des in der Fig. 2 gezeigten Sensors,
sind aber in diesem Verfahrensschritt noch in die
strukturierbare Schicht 103 eingebettet. Dieser Zustand, der
einen Zwischenschritt des Herstellungsverfahrens darstellt,
zeigt die Fig. 7. In einem weiteren Schritt wird dann die
strukturierbare Schicht 103 vollständig entfernt. Durch
einen Ätzprozeß, der die metallischen Strukturen 104 nicht
angreift, jedoch die darunter liegende Metallschicht 102
ätzt, kann dann in äquivalenter Weise wie dies in den
Fig. 5 und 6 beschrieben wurde, eine Unterätzung der
einzelnen Metallstrukturen 104 erfolgen. Aufgrund
unterschiedlich großer lateraler Abmessung und einem
rechtzeitigen Stopp der Ätzung wird dabei erreicht, daß
wiederum nur die Sensorstrukturen unterätzt werden, die
beweglich ausgeführt sein sollen. Für das isolierende
Substrat 101 können neben keramischen Materialien auch
Siliciumwafer mit einer oberflächlichen Isolierschicht
verwendet werden. Die Metallschicht 102 sollte so gewählt
werden, daß sie selektiv gegen das Material der
Metallstrukturen 104 ätzbar ist. Bei der Verwendung von
Nickel für die Metallstrukturen 104 kann die Metallschicht
102 beispielsweise aus Kupfer bestehen. Alternativ ist es
auch möglich, statt der Metallschicht 102
Kunststoffschichten mit dünnen oberflächlichen
Metallisierungen zu verwenden. Für die strukturierbare
Schicht 103 kann beispielsweise ein Fotolack, ein
röntgenstrukturierbarer Lack oder andere Schichten, die
durch Plasmaätzprozesse strukturiert werden können,
Verwendung finden.
Claims (9)
1. Mikromechanischer Drehratensensor mit einem Ring (3), der
durch Mittel zur Schwingungsanregung (10) in Schwingungen
mit Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten anregbar ist,
wobei in den Schwingungsknoten Nachweiselemente (20)
angeordnet sind, durch die eine Drehung verursachte
Verschiebungen der Schwingungsknoten nachweisbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3), die Mittel zur
Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) als
Oberflächenmikromechanische Elemente auf einem Substrat
ausgebildet sind.
2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Mittel zur Anregung von Schwingungen (10)
bewegliche Elektroden (12) und feststehende Elektroden (11),
die einander gegenüberliegend angeordnet sind, vorgesehen
sind, daß die Elektroden (12) am Ring (3) und die
feststehenden Elektroden (12) auf dem Substrat (4, 31)
befestigt sind, und daß zwischen den feststehenden (12) und
beweglichen Elektroden (11) eine oszillierende Spannung
anlegbar ist.
3. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiselemente (20)
bewegliche Elektroden (22) und feststehende Elektroden (21),
die einander gegenüberliegend angeordnet sind, aufweisen,
daß die beweglichen Elektroden (22) am Ring (3) und die
feststehenden Elektroden (21) auf dem Substrat (4, 31)
befestigt sind, und daß zwischen den feststehenden (21) und
den beweglichen Elektroden (22) ein kapazitives Signal
meßbar ist.
4. Drehratensensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die feststehenden Elektroden (11, 21)
durch Lagerblöcke (13, 23) mit dem Substrat (4, 31)
verbunden sind.
5. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3) mit
Schwingfedern (5) an einem auf dem Substrat (4, 31)
verankerten Lagerblock (6) aufgehängt ist.
6. Drehratensensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (4, 31) aus Silicium
gebildet ist, und daß die Lagerblöcke (6, 13, 23) mit einer
isolierenden Schicht (32) mit dem Substrat (4, 31) verbunden
sind.
7. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3), die Mittel zur
Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) aus
einkristallinem Silicium ausgebildet sind.
8. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ring (3), die Mittel zur
Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) aus
polykristallinem Silicium ausgebildet sind.
9. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (101) aus einem
isolierenden Material gebildet ist, daß die Lagerblöcke (6,
13, 23) mit dem Substrat (101) verbunden sind, und daß der
Ring (3), die Mittel zur Schwingungsanregung (10) und die
Nachweiselemente (20) aus einem Metall ausgebildet sind.
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