CH682844A5

CH682844A5 - Drehratensensor.

Info

Publication number: CH682844A5
Application number: CH2687/91A
Authority: CH
Inventors: Jiri Dr-Ing Marek; Erich Dipl-Ing Zabler
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1990-10-13
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1993-11-30
Also published as: GB2249174A; US5438870A; JP2002139323A; DE4032559A1; JPH04233468A; JP2003097950A; GB9120061D0; JP3342880B2; DE4032559C2; US5275047A; GB2249174B

Description

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CH 682 844 A5

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Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche 1 und 3.

Es ist bereits bekannt, zum Beispiel zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines Fahrzeugs im wesentlichen um die Hochachse, zur Regelung der Fahrdynamik oder auch zu Navigationszwecken, geringe Drehraten im Bereich von mehreren Grad pro Sekunde mit Sensoren zu erfassen, bei denen eine Stimmgabelstruktur, die parallel zur Drehachse orientiert ist, zu Schwingungen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse angeregt wird. Bei einer Drehung um die Drehachse wirkt die Corioliskraft auf die schwingenden Stimmgabelzinken senkrecht zur Drehachse und senkrecht zur Anregungsrichtung, d.h. zur Auslenkung der Zinken bei Abwesenheit einer Drehbewegung. Die Drehrate kann über die von der Corioliskraft verursachte Auslenkung der Zinken senkrecht zur Anregungsrichtung erfasst und ausgewertet werden.

In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 40 224 953 werden verschiedene Ausgestaltungen eines Drehratensensors mit einem Sensorelement beschrieben, das aus einem monokristallinen Silizi-umwafer herausstrukturiert ist und mindestens einen Schwinger, vorzugsweise ein Paar von Schwingern aufweist, die über einen oder mehrere Stege mit einem festen Rahmen verbunden sind. Die Schwinger sind in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen schwingungsfähig. Es werden verschiedene Anregungsmöglichkeiten der Schwinger in einer ersten Schwingungsrichtung, die in der Waferebene liegt, beschrieben, wie zum Beispiel die elektromagnetische Anregung, die thermome-chanische Anregung und verschiedene Möglichkeiten der elektrostatischen Anregung. Dieser Drehratensensor ist ferner mit Mitteln zur Erfassung von Auslenkungen der Schwinger in der zweiten Schwingungsrichtung ausgestattet.

In dem Aufsatz «Laterally Driven Polysilicon Résonant Microstructures» von William C. Tang, Tu-Cuong H. Nguyen und Roger T. Howe in Sensors and Actuators, 20 (1989) 25-32 sind verschiedene, schwingungsfähige, auf Träger abgeschiedene Po-lysiliziumstrukturen und Verfahren zu deren Herstellung beschrieben.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemässe Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Schwinger als Stege mit einem hohen Höhe zu Breite Verhältnis je nach Dicke des Trägers ausgebildet sein können, so dass eine grosse Auslenkung in der ersten Schwingungsrichtung erfolgen kann und gleichzeitig Querauslenkungen weitgehend vermieden werden, die Störsignale verursachen. Diese spezielle Ausbildung der Schwinger ermöglicht vorteilhaft eine starre, präzise und störsichere Führung in der ersten Schwingungsrichtung. Gleichzeitig können die senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung auslenkbaren Strukturelemente, die auf den Schwingern aufgebracht sind und als Beschleunigungssensoren für die Coriolisbeschleunigung senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung dienen, so ausgebildet sein, dass sie eine grosse Empfindlichkeit aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, die beschleunigungssensitiven Strukturelemente über Stege mit dem Schwinger zu verbinden, die parallel zur ersten Schwingungsrichtung ausgerichtet sind. Dadurch können durch die Bewegung des Schwingers verursachte Querauslenkungen des Strukturelementes weitgehend vermieden werden. Der erfindungsgemässe Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 3 hat den Vorteil, dass er mit sehr kleinen Abmessungen realisierbar ist. Der Messeffekt der erfindungsgemässen Sensoren lässt sich positiv durch Anregung der Schwinger zu Schwingungen hoher Frequenz und durch eine möglichst grosse Auslenkung der Strukturelemente senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung der Schwinger verstärken.

Durch die in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in den beiden nebengeordneten Ansprüchen 1 und 3 angegebenen Sensoren möglich. Besonders vorteilhaft ist es, als Träger einen monokristallinen Siliziumwafer mit (110)- oder (100)-Kri-stallorientierung zu verwenden, da sich diese einfach mit aus der Mikromechanik bekannten Verfahren durch trocken- oder nasschemisches Ätzen strukturieren lassen. Stege mit senkrecht zur Wa-feroberfläche ausgebildeten Wänden eignen sich besonders vorteilhaft als Schwinger. Sie lassen sich einfach durch anisotropes elektrochemisches Ätzen mittels KOH aus (110)-orientierten Siliziumwafern strukturieren. Durch trockenchemisches Ätzen (Trenchen) können auch von der Kristallorientierung unabhängige Ausgestaltungen verwirklicht werden. Besonders vorteilhaft sind Polysiliziumstrukturen oder Strukturen aus monokristallinem Silizium als schwingungsfähige Strukturelemente, da sie in Dünnschichttechnik nach bekannten Verfahren so herstellbar sind, dass sie eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die Realisierung der erfindungsgemässen Drehratensensoren in Silizium ist ausserdem besonders vorteilhaft, da sie eine Integration der zugehörigen Auswerteschaltung auf dem Sensorelement erlaubt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Sensorelementes, die

Fig. 2a bis d verschiedene Ausgestaltungen eines Strukturelementes und

Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines weiteren Sensorelementes.

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Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Sensorelementes dargestellt, das aus einem scheibenförmigen Träger 10 in Form einer doppelten Stimmgabel herausstrukturiert ist. Die eine Seite der Stimmgabelstruktur besteht aus einem Schwinger 13, der zweiseitig über vier Stege 14 mit dem Träger 10 verbunden ist. Sowohl der Schwinger 13 als auch die Aufhängungsstege 14 sind in der vollen Dicke des Trägers 10 ausgebildet. Ebenfalls möglich ist es, den Schwinger 13 nur einseitig über Stege 14 mit dem Träger zu verbinden, so dass eine offene Stimmgabelstruktur entsteht. Der Schwinger kann mit Hilfe von in der Zeichnung nicht näher dargestellten Mitteln zu Schwingungen in einer ersten Schwingungsrichtung, was durch den Pfeil 1 angedeutet ist, die in der Trägerebene liegt, angeregt werden. Dies kann beispielsweise elektrostatisch, elektrodynamisch oder auch thermoelektrisch erfolgen, wie in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 40 224 953 beschrieben. Auf dem Schwinger 13 ist über Stege 23 ein als Zunge ausgebildetes Strukturelement 21 aufgebracht. Die Zunge 21 ist parallel zur Trägeroberfläche orientiert und senkrecht zur Trägeroberfläche auslenkbar, so dass sich Beschleunigungen senkrecht zur Trägeroberfläche mit der Zunge 21 erfassen lassen. Schwingt der Schwinger 13 in der ersten Schwingungsrichtung 1 und wenn das Sensorelement eine Drehbewegung um eine Drehachse 3, die senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung 1 und senkrecht zur Auslenkungsrichtung 2 der Zunge 21 orientiert ist, so wirkt auf die Zunge 21 eine Coriolisbeschleunigung senkrecht zur Trägeroberfläche in Richtung 2. Diese Coriolisbeschleunigung, die zu einer Auslenkung der Zunge 21 führt, kann entweder piezoresistiv durch auf der Zunge 21 angeordnete Piezowiderstände oder wie in Fig. 1 dargestellt kapazitiv erfasst werden. Dazu ist ein Bereich der der Zunge 21 zugewandten Oberfläche des Schwingers 13 als eine Elektrodenseite 17 eines Plattenkondensators präpariert, die über eine Zuleitung 181 mit einem An-schluss 191 verbunden ist. Die andere Elektrodenseite des Plattenkondensators wird durch die Zunge 21 selbst gebildet, die über eine Zuleitung 182 mit einem Anschluss 192 verbunden ist. Eine Auslenkung der Zunge 21 in Richtung 2 führt zu einer Kapazitätsänderung dieses Plattenkondensators und kann mittels einer hier nicht dargestellten Auswerteschaltung ausgewertet werden.

Besonders vorteilhaft lässt sich die in Fig. 1 dargestellte Struktur eines Sensorelementes in einkristallinen Siliziumträgern 10 und darauf abgeschiedenen Polysiliziumstrukturen oder monokristallinen Siliziumstrukturen realisieren. Der Schwinger 13 und die Stege 14 lassen sich einfach durch trok-ken- oder nasschemisches Ätzen aus dem Siliziumträger herausstrukturieren, was zum Beispiel durch das elektrochemische Ätzen einer Membran und anschliessendes Strukturieren dieser Membran erfolgen kann. Zur Erzeugung von Strukturen mit Seitenwänden senkrecht zur Trägeroberfläche eignen sich besonders (110)-orientierte Siliziumwafer, da die Strukturen dann durch nasschemisches Ätzen mittels KOH erzeugt werden können. Bei Verwendung von trockenchemischem Ätzen (Trenchen) können solche Stege auch unabhängig von der Kristallorientierung hergestellt werden. Die auf den Schwingern angeordneten schwingungsfähigen Strukturelemente sowie deren Verbindungsstege zum Trägersubstrat lassen sich vorteilhaft in Polysi-lizium oder monokristallinem Silizium verwirklichen, da durch Abscheidung von Silizium auf einer Hilfsschicht, beispielsweise einer Oxidschicht, die als sogenannte «sacrificial layer» dient und anschliessend durch Unterätzen der Siliziumstruktur wieder entfernt wird, dünne Strukturelemente erzeugt werden können, die zu einer hohen Empfindlichkeit des Drehratensensors beitragen. Als Strukturelemente eignen sich neben parallel zur Trägeroberfläche orientierten Zungen auch zweiseitig befestigte, brük-kenartig auf dem Schwinger angeordnete Platten.

Die Realisierung des erfindungsgemässen Sensorelementes in Silizium ermöglicht die Integration von Teilen der Auswerteschaltung auf dem Sensorelement. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, dass beispielsweise eine starre Elektrodenseite des Plattenkondensators, die auf der Oberfläche des Schwingers 13 realisiert ist, durch einfache Diffusion in das Trägersubstrat erzeugt sein kann. Dasselbe gilt für die Zuleitungen 181, 182.

In den Fig. 2a bis d sind verschiedene Ausgestaltungen des Strukturelementes 21 mit Aufhängungsstegen 23 dargestellt. Je nach Anwendung können eine einseitige Aufhängung, siehe Fig. 2b, eine zweiseitige Aufhängung, siehe Fig. 2a und d, oder auch eine vierseitige Aufhängung, siehe Fig. 2c gewählt werden. Dient das Strukturelement 21 nur als Beschleunigungsaufnehmer für die Coriolisbeschleunigung, das heisst, wird es auf einen aus einem Träger 10 strukturierten Schwinger 13 aufgebracht, so ist es besonders geschickt, die Aufhängungsstege 23 parallel zur ersten Schwingungsrichtung 1, wie mit dem Pfeil 1 angedeutet, auszurichten. dadurch können störende Querauslenkungen des Strukturelementes 21 in der ersten Anregungsrichtung 1 weitgehend vermieden werden. Die in Fig. 2c dargestellte vierseitige Aufhängung des Strukturelements 21 durch vier sternförmig angeordnete Aufhängungsstege 23 ist vorteilhaft, da dadurch alle Querauslenkungen gleichmässig verhindert werden. Die Beschleuni-gungssensitivität senkrecht zur Oberfläche des Schwingers 13 kann auch vorteilhaft durch eine Ausgestaltung des Strukturelementes 21 entsprechend Fig. 2d erhöht werden. Das Strukturelement 21 ist hier zweiseitig über Stege 23 mit dem Schwinger 13 verbunden. Die Verbindung der beschleunigungssensitiven Platte 21 mit den Stegen 23 ist aber nicht direkt, sondern wird durch zwei dünne verbiegbare Stäbe 231 gebildet.

In Fig. 3 ist der Ausschnitt aus einem weiteren Sensorelement dargestellt mit einem angeschitte-nen Träger 10. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Träger 10 nicht strukturiert. Es kann sich hier ebenfalls um einen monokristallinen Siliziumwafer handeln oder um ein anderes Substrat, auf das in geeigneter Weise Strukturelemente und Mittel zur

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Signalerfassung aufgebracht werden können. Auf den Träger 10 ist eine brückenartige Struktur aufgebracht. Sie wird im wesentlichen von einer platten-förmigen seismischen Masse 30 gebildet, die zweiseitig über vier Stegen 31 mit dem Trägersubstrat verbunden ist. Diese Struktur lässt sich in einer ersten Schwingungsrichtung, die durch den Pfeil 1 angedeutet ist, anregen, was beispielsweise elektrostatisch erfolgen kann. Die Anregungsmittel sind hier nicht näher dargestellt. Bei einer Drehbewegung des Sensorelementes um eine Drehachse 3, die in der Trägerebene und senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung liegt, wirkt eine Coriolisbe-schleunigung auf die schwingende seismische Masse 30 senkrecht zur Trägeroberfläche. Die daraus resultierende Auslenkung der seismischen Masse 30 senkrecht zur Trägeroberfläche kann piezoresisi-tiv oder kapazitiv erfasst werden und ist ein Mass für die Winkelgeschwindigkeit der Drehung. Das in Fig. 3 dargestellte Sensorelement ist in Silizium realisiert. Mit 11 ist eine Ladungsträgerdiffusion in den Träger 10 bezeichnet, die dazu dient, einen Teil der unter der plattenförmigen seismischen Masse 30 befindlichen Oberfläche des Trägers elektrisch von der plattenförmigen seismischen Masse 30 zu isolieren, so dass dieser Teil der Oberfläche zusammen mit der seismischen Masse 30 einen Kondensator bildet, über dessen Kapazitätsänderung die Auslenkung der seismischen Masse 30 in einer zweiten Schwingungsrichtung senkrecht zur Trägeroberfläche erfasst werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Drehratensensor mit einem schichtweise aufgebauten Sensorelement, das mindestens einen in einer Schicht ausgebildeten Schwinger aufweist, wobei eine Schicht durch einen scheibenförmigen Träger gebildet ist, und mit Mitteln zur Anregung des mindestens einen Schwingers in einer ersten Schwingungsrichtung, die parallel zu den Hauptoberflächen des Trägers orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwinger (13) als einseitig oder zweiseitig aufgehängter Steg aus dem Träger (10) strukturiert ist, dass mindestens ein beschleunigungssensitives Strukturelement (21) auf einer parallel zu den Trägerhauptoberflächen orientierten Oberfläche des mindestens einen Schwingers (13) aufgebracht ist, dass das mindestens eine Strukturelement (21) senkrecht zu den Trägerhauptoberflächen auslenkbar ist und dass Mittel zur kapazitiven oder piezoresistiven Erfassung der Auslenkungen des mindestens einen Strukturelementes (21) senkrecht zu den Trägerhauptoberflächen vorhanden sind.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strukturelement (21) einseitig oder zweiseitig über Stege (23) mit dem Schwinger (13) verbunden ist, so dass die Stege (23) parallel zur ersten Schwingungsrichtung (1 ) ausgerichtet sind.

3. Drehratensensor mit einem schichtweise aufgebauten Sensorelement, das mindestens einen in einer Schicht ausgebildeten Schwinger aufweist, wobei eine Schicht durch einen scheibenförmigen

Träger gebildet ist, und mit Mitteln zur Anregung des mindestens einen Schwingers in einer ersten Schwingungsrichtung, die parallel zu den Hauptoberflächen des Trägers orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Trägerhauptoberfläche mindestens ein schwingungsfähiges Strukturelement (30) aufgebracht ist, das den mindestens einen Schwinger bildet, dass das mindestens eine Strukturelement (30) senkrecht zu den Trägerhauptoberflächen auslenkbar ist und dass Mittel zur kapazitiven oder piezoresistiven Erfassung der Auslenkungen des mindestens einen Strukturelementes (30) senkrecht zu den Trägerhauptoberflächen vorhanden sind.

4. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strukturelement (21, 30) als eine einseitig oder zweiseitig, brückenartig über Stege (23, 31) mit dem Trägermaterial verbundene, plat-tenförmige, seismische Masse ausgebildet ist, die parallel zu den Trägerhauptoberflächen orientiert ist.

5. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) ein monokristalliner Siliziumträger mit (110)- oder (100)-Krista!lorientierung ist.

6. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Struktureiement (21, 30) als Poly-siliziumstruktur oder als monokristalline Siliziumstruktur ausgebildet ist.

7. Drehratensensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strukturelement (21, 30) durch Abscheiden einer Polysi-liziumschicht oder einer monokristallinen Siliziumschicht auf in Teilbereichen der Trägeroberfläche aufgebrachten Hilfsschichtsockeln und durch anschliessendes Entfernen der Hilfsschichtsockel durch Unterätzen der aufgebrachten Siliziumschicht hergestellt ist.

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