DE4430439A1 - Sensoreinheit mit mindestens einem Drehratensensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinheit mit mindestens einem Drehratensensor und Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit mit einem speziellen Sensor, der sich besonders zur Messung von Drehbewegungen (Winkelgeschwindig­ keiten) eignet, im Prinzip aber auch von translatorischen Bewegungen. Die Sensoreinheit kann daneben weitere elektronische Bauteile enthalten, die z. B. zur Auswertung und/oder Verarbeitung der erzeugten Ausgangs­ signale und/oder zur Ansteuerung und Regelung der Antriebe des Drehratensensors dient.

Die Erfindung wurde an sich für die Regelung von Fahrwerks- und Bremssystemen für Kfz entwickelt. Sie eignet sich aber darüber hinaus auch zur Regelung in sonstigen unter den Patentanspruch 1 fallenden Anordnungen, z. B. in Trägheitsnavigations- und Führungssystemen.

Die Erfindung bezieht sich auf Drehratensensoren (Gyroskope) und dabei insbesondere auf Schwingungsgyroskope. Diese nutzen Referenz­ bewegungen von Massen um bei Beaufschlagung des Sensors mit einer zur Schwingungsbewegung senkrechten Drehachse, Corioliskräfte zu generieren und zu detektieren. Die simultan zur Referenzbewegung erzeugten Signale durch Corioliskräfte entsprechen der beaufschlagten Drehrate.

Nach dem Stand der Technik verwenden Schwingungsgyroskope Stimm­ gabeln, einen Schwingungsstab oder -zylinder, jedoch erweisen sich die bekannten Schwingungsgyroskope wegen der gesonderten Art dieser Elemente nicht leicht an eine Miniaturisierung oder Serienproduktion anpaßbar. Der Typ eines in mikromechanischer Weise hergestellten Schwingungsgyroskops (Patent DE 35 09 048 A1), das Siliziumplatten, die zu Rotationsschwingungen angeregt werden, verwendet, weist jedoch eine sehr komplexe Struktur auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinheit zu entwickeln, die sich für Ausgestaltungen geringer geometrischer Abmessungen eignet und dabei eine einfache Struktur aufweist, die mit weiteren elektronischen Bauteilen in eine Sensoreinheit integriert, und unter Anwendung von Massenherstellungstechniken leicht herstellbar ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist die Sensoreinheit mit mindestens einem Sensorelement hergestellt in mikromechanischer Technologie, gemäß Patentanspruch 1.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Drehratensensor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht des Drehratensensors in Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Drehratensensors in Fig. 1;

Fig. 4 die Integration von zwei Sensorelementen auf demselben Substrat.

Anhand der Fig. 1 wird die Funktionsweise der Erfindung nun erläutert. In der Mitte befindet sich eine seismische Masse (SM), die durch zwei Biege­ federn (B) schwingungsgfähig gelagert ist. Mit der seimischen Masse (SM) starr verbunden sind zwei Doppelkammstrukturen, die mit vier fest mit dem Trägersubstrat (TS) verbundenen Antriebs-/Detektionskamm­ elektroden (FS1, FS2, FS3, FS4) vier Interdigitalkondensatoren (C1, C2, C3, C4) bilden.

Diese vier Interdigitalkondensatoren dienen zu Anregung einer lateralen Schwingungsbewegung entlang der X-Achse gemäß Patentanspruch 2 und 3. Bei dem Auftreten einer Drehbewegung um die Eingangsachse Z des Dreharatensensors wird durch die resultierende Corioliskraft die seismische Masse (SM) zu Schwingungen entlang der Y-Achse angeregt.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Eingangsachse Z des Drehratensensors senkrecht auf dem Chip steht.

Die Detektion der Auslenkung der seismischen Masse entlang der Y-Achse erfolgt ebenfalls über die oben beschriebenen Interdigitalkondensatoren (C1, C2, C3, C4).

Um den Einfluß der angeregten lateralen Schwingung entlang der X-Achse auf die Erfassung der Meßgröße zu minimieren, werden jeweils die Kapazitäten C1 und C2 und die Kapazitäten C3 und C4 parallel zusam­ mengeschaltet. Wird durch die laterale Schwingung entlang der X-Achse der Wert der Kapazitäten C1 und C3 durch eine Vergrößerung/Verkleine­ rung der Plattenfläche vergrößert/verkleinert, so verkleinert/vergrößert sich im gleichen Maße die Plattenfläche der Kapazitäten C2 und C4 und somit die Größe der Kapazitäten C2 und C4. Folglich sind die Gesamtkapa­ zitäten der beiden Parallelschaltungen C1/C2 und C3/C4 unabhängig von einer Variation der Kondensatorfläche.

Eine Erhöhung der Sensitivität durch Erreichen einer möglichst großen Amplitude der Anregungsschwingung sollte durch spezielle Gestaltung der Geometrie der Interdigitalkondensatoren erfolgen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Achse der Balkenstruktur zu jedem der auf dem Trägersubstrat (TS) fixierten Kammstrukturen (FS1, FS2, FS3, FS4) äquidistant liegen und die Finger der zu permanenten lateralen Schwingungen angeregten Doppelkammstruktur bei Durchgang durch den Schwingungsnullpunkt gleichweit in die fixierten Kamm­ strukturen hineinragen.

Um eine große Sensitivität des Drehratensensors zu erreichen, wird der Umstand ausgenutzt, daß die Änderung einer Kapazität umgekehrt proportional dem Quadrat des Abstandes d ist. Es ergeben sich bei kleinen Abständen d große Änderungen der Kapazität. Der nichtlineare Zusammenhang kann durch die Zusammenschaltung der Parallelschal­ tungen C1/C2 und C3/C4 zu einer Halbbrücke linearisiert werden. Erfin­ dungsgemäß werden durch die asymmetrische Elektrodenanordnung klei­ ne Abstände d erreicht.

Im Ruhefall liegen die Finger der beiden Doppelkammstrukturen (DK) nicht symmetrisch in der Mitte der Antriebs-/Detektionselektroden (FS1, FS2, FS3, FS4). sondern haben, spiegelsymmetrisch zur X-Achse, einen kleineren Abstand hin zu der seismischen Masse (SM).

Um den schaltungstechnischen Aufwand für die Anregung einer lateralen Schwingung zu minimieren, werden die Doppelkammstrukturen (DK) symmetrisch zur X-Achse angeordnet. Es ergeben sich durch die Kombination von symmetrischem Aufbau des Drehratensensors und asymmetrischer Elektrodenanordnung keine resultierenden elektro­ statischen Kräfte in Richtung der Y-Achse. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Sensorelement einen um die in der Ebene des Drehratensensors liegende zur Achse der Balkenstruktur senkrechten Achse spiegelsymmetrischen Aufbau besitzt.

Erfindungsgemäß bietet die Verwendung und der Antrieb von zwei Sensor­ elementen wie in der Fig. 3 gezeigt folgende Vorteile.

Die um 180° zueinander phasenverschobene Anregung der zwei gleichen Balkenstrukturen (B, DK, SM) zu antiparallelen Schwingungsbewegungen bewirkt, daß Schwingungen des Trägersubstrats (TS). die falls sie in der Nähe der Antriebsfrequenz liegen das Meßsignal fälschlich beeinflussen können, in dem Maße wie die Balkenstrukturen identisch sind und keine Kräfte an den Befestigungen wirken, unterdrückt werden können. Die Antriebsfrequenz der Balkenstruktur ist damit annähernd unabhängig von der Art der Befestigung und bleibt annähernd unbeeinflußt von externen Schwingungen, da diese gleich große entgegengesetzt gerichtete Kräfte auf die zwei Balkenstrukturen aufbringen, die sich in der Aus­ wertung gegenseitig aufheben.

Die Erfassung der Drehrate um die sensitive Z-Achse soll durch mögliche Störgrößen wie z. B. lineare Beschleunigungen nicht beeinflußt werden.

Im folgenden wird auf die Herstellung solcher Drehratensensoren mittels zweier Verfahren, welche weitgehend durch Mittel wie sie bei der Großintegration vertraut sind, eingegangen.

Man kann die Drehratensensoren mittels Beschichtungsverfahren und Weglösen/Wegätzen der Schicht (Opferschicht) nach Strukturierung durch photolithographische Methoden und/oder galvanische Beschich­ tung in mikromechanischer Technik auf einem Substrat als das Schwin­ gungssystem tragenden Träger, z. B. auf einem Halbleitersubstrat oder Halbleiterchip, herstellen.

Im folgenden wird die Herstellung in galvanischer Technologie gemäß Patentanspruch 10 beschrieben.

In einem ersten Schritt wird großflächig zumindest in jenem Bereich, über dem sich das Schwingungssystem befindet, eine Opferschicht erzeugt.

In einem zweiten Schritt wird dort, wo feststehende Elektroden sich befinden, großflächig zumindest in jenem Bereich der mit einer Opferschicht bedeckten Substratoberfläche, auf der das schwingungs­ fähige System angebracht werden soll, eine elektrisch leitende Schicht aus Metall aufgebracht. Sie dient später zur galvanischen Abscheidung von jenem Material, aus dem das schwingungsfähige System besteht - zumindest große Teile davon.

In einem folgenden Schritt wird die Leitschicht mit einer Photoresist­ schicht bedeckt, deren Dicke angenähert der Dicke des späteren schwin­ gungsfähigen Systems entspricht, wobei im folgenden vierten Schritt in dieser Photoresistschicht photolithographisch eine Negativform des schwingungsfähigen Systems - oder Teile dieses - durch Herauslösen von Photoresistmaterial bis hin zur Leitschicht erzeugt wird.

Im folgenden fünften Schritt wird die Negativform galvanisch mittels entsprechender Spannungen an der Leitschicht mit Metall zumindest weitgehend aufgefüllt.

Im folgenden sechsten Schritt wird die Opferschicht (zumindest) unter­ halb des schwingungsfähigen Systems, sowie die Negativform, zumindest soweit diese unmittelbar neben dem Drehsensor ist, weggelöst/weggeätzt.

Um auf einfache Weise eine Isolation, z. B. zwischen der starr vom Substrat festgehaltenen Halterung des schwingungsfähigen Systems und dem Substrat oder den feststehenden Elektroden und dem Substrat, erreichen zu können, kann man vor dem ersten Schritt eine Isolierschicht auf der Substratoberfläche zumindest dort aufbringen, wo später die darüber­ liegenden - im allgemeinen elektrisch leitenden - Bestandteile des Drehratensensors angebracht werden sollen.

Durch photolithographisch in dieser Isolierschicht angebrachte Fenster kann man auch jene Stellen gestalten, an denen je nach Bedarf elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Substrat und dem darüber angebrachten Bestandteil hergestellt werden. Im Prinzip können aber diese Beschleunigungssensorteile auch direkt elektrisch mit elektro­ nischen Bauteilen auf der Chipoberfläche verbunden werden.

Der Fertigungsprozeß gemäß Patentanspruch 11, die Herstellung in Siliziumtechnologie des Drehratensensors wird im folgenden beschrieben:

In einem ersten Schritt wird eine weglösbare/wegätzbare Schicht (Opfer­ schicht) auf dem Substrat aufgebracht.

In einem zweiten Schritt wird eine Schicht aus Polysilizium aufgebracht, z. B. mittels LPCVD. Dieses kann selbst elektrisch leitfähig sein oder es können später elektrisch leitfähige Zuleitungen aufgebracht werden.

In einem dritten Schritt wird durch geeignete anisotrope Ätztechniken die gewünschte Struktur aus der polykristallinen Schicht herausgeätzt.

In einem vierten Schritt wird mittels geeigneter Ätztechniken, z. B. näßchemisches Ätzen, die unter der freigeätzten Polysiliziumschicht sich befindende Opferschicht entfernt.

Um auf einfache Weise eine Isolation, z. B. zwischen der starr von Substrat festgehaltenen Halterung des schwingungsfähigen Systems und dem Substrat erreichen zu können, kann man vor dem ersten Schritt eine Isolierschicht auf der Substratoberfläche zumindest dort aufbringen, wo später die darüberliegenden - im allgemeinen elektrisch leitenden - Bestandteile des Drehratensensors angebracht werden sollen.

Durch photolithographisch in dieser Isolierschicht angebrachte Fenster kann man auch jene Stellen gestalten, an denen je nach Bedarf elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Substrat und dem darüber angebrachten Bestandteil hergestellt werden. Im Prinzip können aber diese Drehratensensorteile auch direkt elektrisch mit elektronischen Bauteilen auf der Chipoberfläche verbunden werden.

Claims (13)

1. Sensoreinheit mit mindestens einem in mikromechanischer Technik hergestellten Sensorelement (DS) mit einer Eingangsachse (Z), gekennzeichnet durch

• - mindestens ein Sensorelement (DS) und einem zugehörigen Träger­ substrat (TS), der zur Aufbringung des Sensorelements dient und in dem sich elektronische Bauteile zur Auswertung und/oder Antrieb des Sensor­ elements befinden können,
• - wobei das Sensorelement eine freitragende Balkenstruktur, bestehend aus einer mit zwei Biegefedern (B) schwingungsfähig gehalte­ nen Masse (SM) und zwei an der Balkenstruktur angebrachten Doppel­ kammstrukturen (DK) enthält,
• - wobei die Balkenstruktur an zwei Enden über die Befestigungen (E0) auf dem Trägersubstrat (TS) fixiert und über elektrisch leitfähige Bahnen an den Befestigungen mit dem Trägersubstrat elektrisch kontaktiert wird,
• - wobei das Sensorelement vier fest mit dem Trägersubstrat (TS) verbundene Kammelektroden (FS1, FS2, FS3, FS4) mit zugerhörigen elektrischen Zuleitungen (E1, E2, E3, E4), die mit den Doppelkamm­ strukturen des schwingungsfähigen Elements Interdigitalkondensatoren bilden, aufweist,

gekennzeichnet durch

• - Mittel zur Anregung der Balkenstruktur (B, DK, SM) zu lateralen Schwingungen in der Ebene des Sensorelements,

gekennzeichnet durch

• - Mittel zur Detektion der Drehung des Sensorelementes (DS), um die auf der Ebene des Sensorelements senkrecht stehende Achse (Z).

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsmittel zur Anregung der lateralen Schwingung aus elektro­ statischen Anregungsmitteln bestehen.

3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektionsmittel aus mindestens einem Paar von Interdigitalkondensatoren (C1, C2, C3, C4) bestehen.

4. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Teile der Balkenstruktur, speziell Biegefedern (B) und Dop­ pelkammstrukturen elektrisch leitfähige Bahnen besitzen oder selber aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, um Steuersignale aufzunehmen.

5. Sensorelement nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Achse der Balkenstruktur zu jedem der auf dem Träger­ substrat (TS) fixierten Kammstrukturen (FS1, FS2, FS3, FS4) äquidistant liegt und die Finger der zu permanenten lateralen Schwingungen angereg­ ten Doppelkammstruktur bei Durchgang durch den Schwingungsnull­ punkt gleichweit in die fixierten Kammstrukturen hineinragen.

6. Sensorelement nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sensorelement einen um die in der Ebene des Sensorelements liegende zur Achse der Balkenstruktur senkrechten Achse spiegel­ symmetrischen Aufbau besitzt.

7. Sensorelement nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß für alle Finger der Doppelkammstrukturen der Abstand der Finger zu den jeweils zwei benachbarten Fingern der fixierten Kammstruk­ turen (FS1, FS2, FS3, FS4) nicht äquidistant, sondern zu jeweils einem der zwei benachbarten Finger klein ist.

8. Sensorelement nach allen vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwei Sensorelemente auf dem Trägersubstrat befinden, wobei die Achsen ihrer Balkenstrukturen parallel zueinander liegen, wobei sie gemeinsame Befestigungen (E0) besitzen und wobei ihre Anregungsschwingungen um 180° phasen­ verschoben sind gemäß Fig. 4.

9. Sensorelement nach allen vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat aus Silizium besteht.

10. Verfahren zur Herstellung der Sensoreinheit, nach Anspruch 1 bis 8, bestehend aus, abgesehen von weiteren photolithographischen und ätztechnischen Unterschritten, den Schritten

• - Erzeugung einer weglösbaren/wegätzbaren Schicht (Opferschicht) auf dem Trägersubstrat (TS) auf derjenigen Fläche, auf der die Balken­ struktur angebracht werden soll,
• - Erzeugung einer elektrisch leitenden Leitschicht, z. B. aus Metall, auf derjenigen Fläche, auf der die Balkenstruktur angebracht werden soll, sowie auf denjenigen Flächen, auf denen die fixierten Kammstrukturen angebracht werden sollen,
• - Bedeckung der Leitschicht mit einer Photoresistschicht, deren Dicke angenähert der Dicke der Balkenstruktur entsprechen kann,
• - galvanische Auffüllung der in die Photoresistschicht gebrachten Negativform des Sensorelements,
• - Weglösen/Wegätzen der Opferschicht unterhalb der Balkenstruk­ tur, sowie der Photoresistschicht in der Nähe des Sensorelements.

11. Verfahren zur Herstellung der Sensoreinheit nach Anspruch 1 bis 9, bestehend aus, abgesehen von weiteren photolithographischen und ätztechnischen Unterschritten, den Schritten

• - Erzeugung einer weglösbaren/wegätzbaren Schicht (Opferschicht) auf dem Trägersubstrat (TS), auf derjenigen Fläche, auf der die Balken­ struktur angebracht werden soll,
• - Erzeugung einer nichtätzbaren Schicht, an denjenigen Stellen, an denen die fixierten Kammelektroden aufgebracht werden sollen,
• - ganzflächige Aufbringung einer Schicht aus polykristallinem Silizi­ um,
• - Strukturierung der polykristallinen Siliziumschicht, gemäß dem Design des Sensorelements,
• - selektives Wegätzen der Opferschicht unterhalb der Balken­ struktur.