DE10040537B4

DE10040537B4 - Mikromechanischer Drehratensensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10040537B4
Application number: DE10040537A
Authority: DE
Inventors: Karin Dr. Bauer; Tanjo Gleissner; Konrad Lentner; Stefan Sassen; Josef Schalk; Ralf Voss
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: JP2004506883A; US20040011130A1; US6898972B2; EP1309835A1; DE10040537A1; WO2002014787A1

Abstract

Mikromechanischer Drehratensensor, mit
einem ersten Schwingelement (4), das als Wippe ausgestaltet ist und schwenkbar um eine erste Achse (A) gelagert ist,
einem zweiten Schwingelement (5), das als Rahmen ausgestaltet ist und schwenkbar um eine zweite Achse (B) gelagert ist, die senkrecht zur ersten Achse (A) gerichtet ist, wobei die Wippe in dem Rahmen schwenkbar gelagert ist,
einer Anregungseinheit (7), um das erste Schwingelement (4) in Schwingungen zu versetzen, und
einer Ausleseeinheit (8) zum Erfassen von Schwingungen des zweiten Schwingelements (5), wobei
an dem ersten Schwingelement (4) mindestens zwei zusätzliche Masseelemente (6a, 6b) befestigt sind, die symmetrisch zu einer Ebene ausgerichtet sind, die durch die erste und zweite Achse (A, B) definiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drehratensensor, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drehratensensors.
Kardanisch aufgehängte, mikromechanische Drehratensensoren besitzen z.B. zwei schwingfähige Rahmen mit einer zentralen Inertialmasse. Durch einen elektrostatischen Antrieb wird die Masse zu resonanten Schwingungen um eine Anregungsachse gebracht. Bei einer Rotation des Sensors um eine Drehachse, die senkrecht zur Anregungsachse gerichtet ist, wirkt die Corioliskraft auf die oszilierende Inertialmasse. Dadurch wird periodisch eine Schwingung um eine Ausleseachse angeregt, die senkrecht zur Anregungsachse und zur Drehachse gerichtet ist. Die Amplitude der so erzeugten Oszillation ist ein direktes Maß für die zu messende Drehrate. Die Auslesung der Amplitude kann z.B. elektrostatisch erfolgen.
Derartige mikromechanische Drehratensensoren können z.B. in der der Kraftfahrzeugtechnik, in der Luft und Raumfahrttechnik, sowie bei Explorations- und Produktionsverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise können die Drehratensensoren zur Fahrzeugstabilisierung, zur Fahrdynamikregelung und für Navigationssysteme oder auch innerhalb von Systemen für autonomes Fahren eingesetzt werden. Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen in der Flugkörpernavigation und -stabilisierung. Im Bereich der Raumfahrt können mit derartigen Sensoren Plattformen stabilisiert und in ihrer Lage geregelt werden. Navigationssysteme, wie z.B. GPS/iNS, werden durch derartige Drehratensensoren ergänzt, insbesondere im Bereich der Avionik. Bei der Exploration von Rohstoffen können z.B. Bohrköpfe mit Drehratensensoren gesteuert werden. Bei modernen Produktionstechnologien werden Drehratensensoren zur Steuerung von Robotern eingesetzt.

In dem US Patent Nr. 4,598,585 ist ein Drehratensensor mit einer kardanischen Struktur beschrieben, bei der ein Rahmen schwingungsfähig um eine y-Achse gelagert ist. Innerhalb des Rahmens befindet sich ein Element, das schwingungsfähig um eine x-Achse an dem Rahmen befestigt ist. Auf dem inneren Element ist eine Inertialmasse angeordnet.

Antriebselemente dienen dazu, den Rahmen in Schwingungen um die y-Achse zu versetzen. Die Auslenkung des inneren Elements aufgrund der Corioliskraft wird kapazitiv gemessen.

Das US-Patent 6,032,531 zeigt einen mikromechanischen Beschleunigungs- und Coriolissensor zur Messung von linearen Bewegungen und Drehbewegungen. Der Sensor hat ein Schwingelement, das zusätzliche Masseelemente trägt und zu Schwingungen um eine erste Achse angeregt wird, während induzierte Schwingungen der Masseelemente um eine zweite Achse, die senkrecht zur ersten Achse gerichtet ist, erfasst werden.

Die Offenlegungsschrift DE 195 23 895 A1 beschreibt einen Coriolis-Drehratensensor mit einer beweglich an einem Substrat aufgehängten auslenkbaren Schwingstruktur, die zu Schwingungsbewegungen anregbar ist. Auswertemittel erfassen eine beschleunigungsbedingte Auslenkung der Schwingstruktur, beispielsweise eine Coriolisbeschleunigung. Die Schwingstruktur ist in Form eines Drehpendels ausgebildet und wird mittels Federn auf einem Lagerpunkt abgestützt.

Die Patentschrift 196 41 284 C1 zeigt einen Drehratensensor mit entkoppelten orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen. Dabei ist ein Primärschwinger durch Federbalken derart gelagert, dass er eine Drehschwingung in einer Ebene ausführt, während eine Verkippung vermieden wird. Bei Einwirkung einer Corioliskraft wird eine Bewegung des Sekundärschwingers erzeugt, die nicht auf den Primärschwinger zurückübertragen wird.

Die Druckschrift DE 197 45 083 A1 beschreibt einen Drehratensensor, der als mikromechanisches Bauteil hergestellt ist. Der Drehratensensor weist einen rechteckigen Außenrahmen auf, sowie einen innerhalb des Außenrahmens in der gleichen Ebene wie dieser liegenden rechteckigen Innenrahmen und einen feststehenden Träger. Kondensatoren dienen zur Anregung des Außenrahmens zu Schwingungen um eine Achse.

Schließlich zeigt das US-Patent 5,329,815 ein Vibrationsgyroskop mit einem zentralen Befestigungspfosten und einer flächig ausgestalteten Masse, die symmetrisch daran befestigt ist um Vibrationsbewegungen auszuführen. Die Masse ist zu Schwingungen anregbar und durch den Corioliseffekt erzeugte Schwingungen werden gemessen.

Die bekannten mikromechanischen Drehratensensoren haben jedoch den Nachteil, dass die Messgenauigkeit oft unzureichend ist. Auch treten in der Regel sehr große Querempfindlichkeiten auf. Darüberhinaus ist oftmals auch eine große Empfindlichkeit auf Vibrationen festzustellen. Darüberhinaus sind die bekannten Drehratensensoren meist mit hohen Herstellungskosten verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen mikromechanischen Drehratensensor zu schaffen und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der eine hohe Sensorempfindlichkeit und geringe Querempfindlichkeit aufweist. Darüberhinaus soll der Drehratensensor robust sein, geringe Empfindlichkeiten gegen mechanische Vibrationen haben und kostengünstig herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den mikromechanischen Drehratensensor gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drehratensensors gemäß Patentanspruch 22. Weitere vorteilhafte Merkmale, Details und Aspekte der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.

Der erfindungsgemäße mikromechanische Drehratensensor umfasst ein erstes Schwingelement, das als Wippe ausgestaltet ist und schwenkbar um eine erste Achse gelagert ist, ein zweites Schwingelement, das als Rahmen ausgestaltet ist und schwenkbar um eine zweite Achse gelagert ist, die senkrecht zur ersten Achse gerichtet ist, wobei die Wippe in dem Rahmen schwenkbar gelagert ist, sowie eine Anregungseinheit, um das erste Schwingelement in Schwingungen zu versetzen, und eine Ausleseeinheit zum Erfassen von Schwingungen des zweiten Schwingelements, wobei an dem ersten Schwingelement mindestens zwei zusätzliche Masseelemente befestigt sind, die symmetrisch zu einer Ebene ausgerichtet sind, die durch die erste und zweite Achse definiert ist.

Durch die symmetrisch ausgerichteten, zusätzlichen Massenelemente ergibt sich eine deutlich höhere Sensorauflösung und Empfindlichkeit. Dabei können die Zusatzmassen bzw. zusätzlichen Massenelemente extrem groß ausgestaltet sein. Dadurch ergibt sich eine weite Auslagerung der Massenschwerpunkte symmetrisch zur Drehachse, was eine extreme Erhöhung der Sensorempfindlichkeit bewirkt. Der symmetrische Aufbau reduziert die Querempfindlichkeit gegenüber Drehraten ausserhalb der Empfindlichkeitsachse des Sensors und reduziert die Empfindlichkeit gegenüber einer auf den Sensor wirkenden Beschleunigung. Der Sensor ist kostengünstig herstellbar und kann äußerst robust ausgelegt werden.

Vorteilhafterweise liegt der gemeinsame Schwerpunkt der beiden Masseelemente im Schnittpunkt der ersten und zweiten Achse. Dadurch ergibt sich eine maximale Symmetrie.

Bevorzugt sind die zusätzlichen Massenelement getrennt von dem ersten und/oder zweiten Schwingelement gefertigt, wobei insbesondere Form, Größe oder auch Material der Massenelemente gezielt ausgewählt sind, um die Parameter des Sensors festzulegen. Durch die freie Wahl von Form, Größe und Material der Zusatzmassen kann die Masseverteilung, die Gesamtmasse und die Verteilung der Trägheitsmomente des Sensors gezielt gewählt werden. Damit ergeben sich zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten, den Sensor im Hinblick auf Auflösung, Querempfindlichkeit, Schockempfindlichkeit, reduziertem Einfluss von Fertigungstoleranzen, oder auch reduzierter Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen zu optimieren.

Insbesondere können durch die freie Wahl der Materialien für die zusätzlichen Massenelemente Zusatzmassen mit speziellen physikalischen Eigenschaften gebildet werden, die je nach den Anforderungen des Drehratensensors besonders geeignet sind. Weiterhin kann durch spezielle Wahl der Zusatzmassen, das Sensorelement getrimmt werden, ohne dass an den übrigen Strukturen bzw. an der herausgeätzten kardanischen Struktur Veränderungen oder Einwirkungen vorgenommen werden müssen.

Die Zusatzmassen können kostengünstig mit hoher Präzision hergestellt werden. Besonders bevorzugt werden Kugeln als Massenelemente verwendet, die kostengünstig mit einer sehr geringen Geometrietoleranz von beispielsweise 0,1 % hergestellt werden können. Durch die Verwendung von Kugeln ergibt sich damit eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Masseverteilung des Drehratensensors. Es können aber auch Quader, Kegel, Pyramiden bzw. Pyramidenstümpfe und Zylinder als Massenelemente verwendet werden, die ebenfalls sehr kostengünstig und mit geringer Geometrietoleranz herstellbar sind. Besonders günstig ist es, die Kegel bzw. Pyramiden mit ihren Spitzen zueinander ausgerichtet anzuordnen. Dadurch sind die Schwerpunkte der einzelnen Masseelemente möglichst weit ausgelagert bzw. möglichst weit voneinander entfernt.

Insbesondere haben die zusätzlichen Massenelemente z.B. magnetische Eigenschaften. Dies bewirkt eine gegenseitige Anziehung der zusätzlichen Massenelemente, so dass sie sich selbst vollständig symmetrisch ausrichten. Weitere Vorteile sind die sich daraus ergebende Haftung am Substrat, die Möglichkeit einer Selbstkalibrierung, sowie die Möglichkeit einer magnetischen oder elektromagnetischen Anregung zu Schwingungen.

Bevorzugt sind die zusätzlichen Massenelemente aus einem Material gefertigt, das eine höhere Dichte als das Material des ersten und/oder des zweiten Schwingelements hat. Dies führt zu einer günstigeren Verteilung der Massenträgheitsmomente. Dabei können z.B. Metalle, insbesondere Stahl, als Material für die zusätzlichen Massenelemente verwendet werden, wo hingegen für die übrige Sensorstruktur bzw. für das erste und zweite Schwingelement z.B. Silizium verwendet wird. Es besteht also eine freie Materialwahl für die Zusatzmassen, da das Material der Zusatzmassen nicht kompatibel mit den Bearbeitungsschritten z.B. für einen Siliziumwafer sein muss, aus dem die Schwingelemente bzw. die schwingfähige Struktur vorteilhafterweise hergestellt wird. Dadurch kann auf sehr kostengünstige Weise eine extreme Erhöhung der Sensorempfindlichkeit erfolgen.

Beispielsweise ist das erste Schwingelement eine Wippe und das zweite Schwingelement ein Rahmen, wobei die Wippe und der Rahmen eine kardanische, schwingfähige Struktur bilden, die in einer Haltestruktur befestigt ist.

Vorteilhafterweise ist der Drehratensensor aus mindestens drei zusammengefügten Wafern hergestellt, die bevorzugt einzeln bearbeitet sind. Dabei hat der Drehratensensor z.B. einen Bodenwafer, einen Mittelteilwafer und einen Deckelwafer. Dadurch ergibt sich eine reduzierte Komplexität beim Herstellungsverfahren, sowie die Möglichkeit, die Einzelkomponenten zu testen. Weiterhin wird die Ausbeute erhöht, wodurch sich für die Sensoren reduzierte Kosten ergeben. Weiterhin lassen sich Gruben- und Elektrodenstrukturen, die sich nach dem Zusammenfügen im Inneren des Sensors befinden, frei gestalten. Darüberhinaus besteht eine größere Auswahlmöglichkeit für Elektrodenmaterial und für das Material der Zusatzmassen, da das Material mit weniger Herstellungsschritten kompatibel sein muss. Die Verwendung von baugleichen Deckel- und Bodenwafern ist möglich. Dies ermöglicht einen zur Mittelebene vollständig symmetrischen Aufbau.

Bevorzugt ist das erste und das zweite Schwingelement in dem Mittelteilwafer ausgebildet. Insbesondere ist der Mittelteilwafer auf der Ober- und Unterseite bearbeitbar. Dadurch ist die Symmetrie zur Mittelebene gewährleistet, da die Massen bzw. zusätzlichen Massenelemente symmetrisch angebracht werden können. Durch die Symmetrie wird die Temperaturdrift der Sensoreigenschaften reduziert.

Vorteilhafterweise ist der Boden- und/oder der Deckelwafer aus alkalihaltigen Glaswafern hergestellt, wie z.B. Borofloat- oder Pyrex-Glas, wovon z.B. mindestens ein Wafer mit einer Elektrodenstruktur versehen ist. Dadurch werden Streu- und Übersprechkapazitäten reduziert, da sich die Elektrodenstruktur auf isolierendem Material befindet. Insbesondere ist z.B. der thermische Ausdehnungskoeffizient an das Silizium des Mittelteilwafers angepasst, weshalb die thermischen Verspannungen während der Herstellung gering gehalten werden können und woraus sich eine reduzierte Temperaturempfindlichkeit des Sensors während des Betriebs ergibt. Die Verwendung alkalihaltigen Glaswafer ermöglicht darüberhinaus eine zuverlässige Verbindung mit dem Mittelteilwafer aus Silizium mittels einem anodischen Bondverfahren.

Dadurch, dass die Wafer bzw. der Mittelteilwafer mit dem Bodenwafer und dem Deckelwafer z.B. durch anodisches Bonden verbunden werden, ergibt sich eine zuverlässige Verbindung, die für die Herstellung eine Temperatur von maximal 450°C benötigt. Diese Maximaltemperatur ist niedrig genug, damit geeignet gewählte Metallisierungen nicht verändert werden, d.h., es ergibt sich keine Oxidation und auch keine Bildung von Legierungen. Das anodische Bonden erlaubt eine gute Justage der Wafer zueinander, da während des Bondvorgangs keine flüssige Phase auftritt. Die lustagetoleranz des Drehratensensors ist deshalb zumeist geringer als einige μm.

Vorteilhafterweise befindet sich zwischen dem Mittelteilwafer und dem Bodenwafer bzw. zwischen dem Mittelteilwafer und dem Deckelwafer ein Spaltabstand, der im Verhältnis zur lateralen Elektrodenausdehnung klein ist. Dieser Abstand zwischen aneinandergrenzenden Wafern dient zur elektrostatischen Anregung und/oder zur kapazitiven Auslesung der Aktorik- und/oder Sensorikschwingung der Schwingelemente. Das Verhältnis zwischen dem Spaltabstand und der lateralen Elektrodenausdehnung ist z.B. kleiner als 1:20, bevorzugt kleiner als 1:50, und insbesondere bevorzugt kleiner als 1:100 oder sogar 1:1000. Dadurch ergeben sich sehr große Kapazitätswerte, die wiederum hohe elektrische Signale für die Sensorik bzw. große elektrostatische Kräfte für die Aktorik ermöglichen.

Bevorzugt ist der Spaltabstand für die Aktorikstruktur, die die Anregungsschwingung des ersten Schwingelements ermöglicht, größer als der Spaltabstand für die Sensorikstruktur, die die Ausleseschwingung des zweiten Schwingelements ermöglicht. Dadurch kann die Aktorikschwingung mit einer sehr hohen mechanischen Amplitude erfolgen. Darüberhinaus ist die Dämpfung der Schwingung bei größerem Spaltabstand geringer (Squeezed Film Damping), was bei resonanter Anregung zu höherer mechanischer Amplitude führt. Andererseits ergibt sich durch den geringen Spaltabstand bei der Sensorikstruktur eine große Kapazität und damit ein hohes elektrisches Ausgangssignal.

Vorteilhafterweise ist der Wafer, aus dem die mechanische Struktur bzw. das erste und zweite Schwingelement geätzt wird, aus einkristallinem Silizium gefertigt. Dabei ist die schwingungsfähige Struktur bzw. Gimbalstruktur des Sensors z.B. aus einem vollen Wafer geätzt, d.h. in Bulk-Technologie hergestellt. Die schwingungsfähige Struktur umfaßt z.B. das erste und zweite Schwingelement und ist bevorzugt aus dem Mittelteilwafer herausstrukturiert. Durch die Verwendung von einkristallinem Silizium ergibt sich eine sehr geringe Materialdämpfung und weiterhin verschwindend geringe Ermüdungs- und Alterungserscheinungen. Die Fertigung in Siliziumtechnologie führt zu geringen Fertigungstoleranzen bei gleichzeitig niedrigen Kosten. Darüberhinaus besitzt Silizium eine hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte, woraus eine robuste und belastbare mechanische Struktur resultiert.

Vorteilhafterweise ist das erste und/oder das zweite Schwingelement nicht-rechtwinklig ausgebildet, d.h. die schwingungsfähige Struktur hat eine nichtrechtwinklige Geometrie bzw. eine symmetrische konvexe Freiform. Die Schwingelemente können z.B. rund ausgestaltet sein oder auch Kanten aufweisen, die in einem Winkel von mehr als 90° aneinandergrenzen. Beispielsweise können die Schwingelemente 8-eckig sein.

Insbesondere unter Berücksichtigung großer zusätzlicher Inertialmassen, die die Erhöhung der Empfindlichkeit verursachen, ergibt sich z.B. eine Vergrößerung der Kapazitätsflächen bei gleichzeitig höherer Biegesteifigkeit, und damit höhere Eigenfrequenzen des Rahmens bzw. der äußeren schwingfähigen Struktur.

Damit wird eine hohe Steifigkeit für die Einspannung des Drehbandes des Rahmens bzw. der Torsionsaufhängung erreicht, die mit einer rechtwinkligen Struktur nicht erzielt werden kann. Die Torsionsfrequenz wird wesentlich durch das Torsions- bzw. Drehband als Aufhängung selbst bestimmt. Man kann somit das Drehband stark verkürzen und eine von der Torsionsfrequenz fast unabhängig einstellbare Z-Mode des Sensors, die senkrecht zur Waferebene gerichtet ist, erreichen.

Durch die oben beschriebene Geometrie und durch die besondere Anordnung der Zusatzmassen kann bei vorgegebener Fläche der schwingfähigen Struktur eine besonders hohe Empfindlichkeit bei kleiner Bauweise erreicht werden.

Weiterhin kann das Eigenfrequenzspektrum der mechanischen Struktur durch die nicht -rechtwinklige Geometrie günstiger gestaltet werden. Es lassen sich nichtrechtwinklige Geometrien finden, bei denen die Torsionseigenfrequenzen der Wippe bzw. der inneren schwingfähigen Struktur und des Rahmens bzw. der äußeren schwingfähigen Struktur die niedrigsten Eigenmoden der Struktur sind und alle anderen Moden bei deutlich höheren Frequenzen zu liegen kommen. Damit kann man den benötigten Frequenzabstand zwischen dem mechanischen Störspektrum, beispielsweise in einer rauhen Umgebung, und den Betriebs- und Eigenmoden des Sensors gewährleisten.

Vorteilhafterweise ist die Frequenz der Aktorikschwingung, die durch die Anregungseinheit verursacht wird, und/oder die Frequenz der Sensorikschwingung, die durch die Corioliskraft erzeugt wird, die niedrigsten Eigenmoden der schwingungsfähigen Struktur, die durch das erste und das zweite Schwingelement gebildet wird. Dadurch ergibt sich insbesondere eine hohe Robustheit der mechanischen Struktur gegenüber Schockbelastungen und mechanischen Vibrationen.

Durch Verwendung mechanischer Dämpfungselemente, beispielsweise mechanischer Tiefpassfilter, beim Aufbau des Sensorelements ist es möglich, das Drehratensignal von höherfrequenten Störsignalen zu trennen. Dabei hat das Drehratensignal beispielsweise eine Bandbreite von 0 bis 100 Hz. Niederfrequente Störsignale, deren Bandbreite vergleichbar ist mit der Bandbreite der Drehrate, können aufgrund der Lage der Eigenfrequenzen der Sensorstruktur nicht oder nur sehr stark unterdrückt das Sensorverhalten beeinflussen. Dabei liegen die Eigenfrequenzen der Sensorstruktur, d.h. die Aktorik- und Sensorikschwingung, bei ca. 10 kHz, während alle anderen Eigenmoden darüberliegen.

Insbesondere ist das Flächenverhältnis zwischen dem zweiten Schwingelement und dem ersten Schwingelement größer als 5:1, bevorzugt größer als 10:1. Durch dieses Flächenverhältnis zwischen dem Rahmen, der die äußere Sensorikstruktur bzw. das zweite Schwingelement bildet, und der Wippe, die die innere Aktorikstruktur bzw. das erste Schwingelement bildet, ergibt sich eine weitere Vergrößerung des elektrischen Sensorsignals bei gleichzeitig optimaler mechanischer Auslegung der Sensorstruktur bzw. der Lage der Eigenmoden. Weiterhin erfolgt eine weitgehende Entkopplung der Eigenfrequenzen von Wippe und Rahmen. Durch dieses Flächenverhältnis und dem damit einhergehenden Verhältnis der Massenträgheitsmomente ist es möglich, die Eigenfrequenz der Wippe im wesentlichen in Abhängigkeit von der Inertialmasse bzw. der Massenelemente zu bestimmen, und die Eigenfrequenz des Rahmens im wesentlichen in Abhängigkeit von der Rahmengeometrie zu bestimmen. Damit kann ein nahezu unabhängiger Frequenzabgleich erreicht werden, d.h. der Sensor kann auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit getrimmt werden.

Bevorzugt hat der mikromechanische Drehratensensor eine Metallisierung zur Bildung einer Elektrode bzw. Elektrodenstruktur, die mit einer dieelektrischen Schicht bedeckt ist. Dadurch erfolgt eine Passivierung, so dass die Metallisierung vor Korrosion geschützt ist. Leckströme zwischen den isolierten Elektroden werden erheblich reduziert. Da die Metallisierung insbesondere nur auf festen, unbewegten Teilen des Sensors sitzt, gibt es kaum Einschränkungen bezüglich der Art und des Verfahrens der Passivierung.

Vorteilhafterweise umfaßt der mikromechanische Drehratensensor ein oder mehrere Elektroden, die von einer geschlossenen Leiterbahn umgeben sind. Dabei kann die Leiterbahn zum Beispiel eigens kontaktiert werden. Auch die entsprechenden Zuleitungen können von der geschlossenen Leiterbahn umgeben sein. Durch diese Massnahme wird das elektrische Übersprechen zwischen den Elektroden für die Sensorik und/oder für die Aktorik reduziert. Da die metallisierten Elektroden z.B. nur im Deckel und/oder Bodenwafer sitzten und in diesem Fall nicht auf dem strukturierten Mittelteil, sind die Guardelelektroden leicht zu kontaktieren und unterlegen in ihrer Geometrie und Beschaffenheit weniger Randbedingungen, als wenn sie auf dem Mittelteil angebracht werden müssten.

Bevorzugt hat der mikromechanische Drehratensensor einen ohmschen Druckkontakt zum Anschluss des Mittelteilwafers an den Bodenwafer bzw. an ein Bondpad des Bodenwafers. Auch kann der Deckelwafer auf diese Weise kontaktiert werden. Auf dem Mittelteilwafer selbst befindet sich bevorzugt keine Metallisierung. Insbesondere besitzt die gesamte Struktur des Mittelteilwafers ein elektrisches Potential.

Dadurch ist es möglich, dass der elektrische Anschluss des Mittelteilwafers über standardisierte Drahtbondpads erfolgt, die beispielsweise eine Größe von 100μm × 100μm aufweisen. Dadurch können sich die gesamten Anschlußpads auf einer Ebene befinden und nebeneinander liegend angeordnet werden. Dies reduziert erheblich den Aufwand beim elektrischen Kontaktieren des Sensorelements mit der zugehörigen Elektronik für Aktorik und Sensorik.

Durch das Fehlen einer Metallisierung auf dem Mittelteilwafer wird der Herstellungsaufwand des Mittelteilwafers deutlich reduziert. Weiterhin zeigt die schwingungsfähige Struktur eine nur sehr geringe Materialdämpfung und weist keine mechanischen Verspannungen auf. Dies trägt noch zusätzlich zu einer reduzierten Temperaturabhängigkeit der Sensoreigenschaften bei.

Der Sensorinnenraum kann hermetisch verschlossen sein, wobei z.B. vergrabene Leiterbahnen zur Kontaktierung der Elektroden im Sensorinnenraum dienen. Durch die Verbindung zwischen den Bondpads und den Elektrodenflächen im Sensorinneren mittels vergrabenen Leiterbahnen kann das Sensorinnere hermetisch verschlossen werden und kann somit weder verschmutzen, noch korrodieren oder durch Feuchtigkeit oder andere Umwelteinflüsse verändert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drehratensensors umfasst die Schritte: Bereitstellen von mindestens 3 Wafern, wobei jeweils ein Wafer einen Deckel, einen Mittelteil und einen Bodenteil bildet, Strukturieren der einzelnen Wafer, Ausbilden einer kardanischen, schwingfähigen Struktur mit einer Wippe in dem Mittelteil-Wafer, zur Ausführung einer ersten Schwingung; Befestigen von zusätzlichen Masseelementen an der Wippe; Ausbilden einer Anregungseinheit zum Anregen der ersten Schwingung der Struktur; Ausbilden einer Ausleseeinheit zum Erfassen einer zweiten Schwingung der Struktur, die senkrecht zur ersten Schwingung erfolgt; und Zusammenfügen der Wafer, wobei der Mittelteil-Wafer mit der schwingfähigen Struktur auf beiden Seiten mit einem weiteren Wafer verbunden wird, und wobei in der Struktur ein schwenkbar gelagerter Rahmen zur Ausführung der zweiten Schwingung ausgebildet wird, in dem die Wippe schwenkbar befestigt wird, wobei die Anregungseinheit zur Anregung der ersten Schwingung an die Wippe und die Ausleseeinheit zur Erfassung der zweiten Schwingung an den Rahmen gekoppelt wird.

Die weiteren Vorteile, die sich aus der Herstellung des Drehratensensors aus mindestens drei einzeln bearbeiteten Wafern ergeben, die abschließend zusammengefügt werden, wurden oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drehratensensor beschrieben.

Insbesondere können an der schwingfähigen Struktur zusätzliche Massenelemente symmetrisch zur Achse der ersten und/oder der zweiten Schwingung befestigt werden. Weiterhin kann der Wafer mit der schwingfähigen Struktur auf seiner Ober- und Unterseite bearbeitet werden.

Vorteilhafterweise wird die schwingfähige Struktur bzw. Gimbal-Struktur des Sensors aus einem einzigen, vollen Wafer geätzt und die Aufhängung der mechanischen bzw. schwingfähigen Struktur, die das Mittelteil des Sensors bildet, wird in einem einzigen Ätzschritt hergestellt. Dadurch wird eine hohe Fertigungsgenauigkeit der geometrischen Struktur bzw. schwingungsfähigen Struktur erreicht, da z.B. nicht mehrere Masken zueinander justiert werden müssen. Auch ist es möglich, die Strukturierung des Siliziums mit Flanken senkrecht zur Waferebene durchzuführen. Das Mittelteil selbst ist daher mit hoher Genauigkeit oben-unten-symmetrisch. Damit wird eine wesentliche Quelle für den Quadraturfehler bzw. "quadrature error" ausgeschlossen. Es ergibt sich weiterhin eine freie Gestaltbarkeit der lateralen Geometrie, z.B. bei Verwendung der anisotropen Plasmaätztechnik.

Vorteilhafterweise wird auf den Bodenwafer der drei Wafer eine Metallisierungsstruktur mittels Dünnschichttechnologie aufgebracht, die z.B. Kondensatorflächen, Zuleitungen und Anschlußpads bildet. Dadurch wird der Herstellungsaufwand reduziert, da die vollständige Metallisierung sich nur auf einem Wafer befindet. Die Dünnschichttechnologie ermöglicht die Herstellung kleiner Strukturen mit reproduzierbaren Dicken, die für einen reproduzierbaren Spaltabstand notwendig sind. Beispielsweise beträgt die Leiterbahnbreite 10μm, die Leiterbahn- und Elektrodendicke 140nm und der Spaltabstand beispielsweise 1,5μm. Der elektrische Anschluß des Sensorelements an die Aktorik- und Sensorikelektronik erfolgt beispielsweise über standardisierte Drahtbondpads. Deren Größe beträgt z.B. 100μm × 100μm.

Die Anregung des Drehratensensors bzw. des ersten Schwingelements kann auf vielfältige Weise, z.B. elektrostatisch, piezoelektrisch, magnetostriktiv oder auch magnetisch bzw. unter Verwendung von magnetischen Zusatzmassen erfolgen. In diesem Fall ist der Drehratensensor mit elektrostatischen, piezoelektrischen, magnetostriktiven oder auch magnetischen Elementen bzw. magnetischen Zusatzmassen versehen.

Zusätzlich kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die eine Elektronik zur Regelung und/oder zum Erzwingen der Anregungsschwingung aufweist. Die Elektronik kann durch entsprechende Schaltungen so ausgelegt sein, daß das erste Schwingelement in seiner Eisenfrequenz schwingt. Sie kann aber auch so ausgelegt sein, daß die Schwingung des ersten Schwingelements mit einer bestimmten Frequenz, die nicht die Eigenfrequenz sein muß, erzwungen wird. Dies hat den besonderen Vorteil, daß die Ausleseelektroden zur Messung der Schwingung des zweiten Schwingelements nicht die Funktion des Sensors beeinträchtigen bzw. die Meßergebnisse verfälschen, selbst wenn sie sehr nahe an den Elektroden zur Anregung des ersten Schwingelements angeordnet sind und/oder eine freie Schwingung des ersten Schwingelements beeinflussen würden.

Durch Wahl einer geeigneten Elektrodenform der Anregungselektroden wird der Einfluß der Ausleseelektroden zur Messung der Schwingung des zweiten Schwingelements weiter minimiert. Beispielsweise können die einzelnen Elektroden eines Paares von Anregungselektroden geteilt sein und durch die Elektronik separat angesteuert werden um den oben genannten Einfluß auszuschalten bzw. zu kompensieren.

Das Ausleseverfahren kann ebenfalls auf mehrere bekannte Arten realisiert sein und insbesondere z.B. kapazitiv oder auch optisch erfolgen. In diesem Fall ist der Drehratensensor mit kapazitäten oder optischen Elementen zur Auslesung der durch die Corioliskraft erzeugten Schwingung des zweiten Schwingelements versehen.

Im Betrieb sind kontinuierliche Selbsttest- und Selbstkalibrierungsfunktionen möglich.

Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen mikromechanischen Drehratensensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf das Mittelteil des Drehratensensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform;
3 eine Draufsicht auf eine Elektrodenstruktur des Drehratensensors; und
4 einen Schnitt, der den Randbereich des Sensors mit der Verbindung zwischen Mittelteil und Bodenteil darstellt.
1 zeigt einen mikromechanischen Drehratensensor 10, der aus einem Deckelteil 1, einem Mittelteil 2 und einem Bodenteil 3 gebildet ist. Diese Teile sind einzeln bearbeitete Wafer, die abschließend zusammengefügt wurden. Das Mittelteil 2 bildet eine schwingfähige Struktur mit einem ersten Schwingelement 4 und mit einem zweiten Schwingelement 5. Das erste Schwingelement 4 bildet eine Wippe und das zweite Schwingelement 5 bildet einen Rahmen, in dem die Wippe schwenkbar um eine erste Drehachse A gelagert ist. Der Rahmen bzw. das zweite Schwingelement 5 ist innerhalb des Sensors schwenkbar um eine zweite Drehachse B gelagert, die in Waferebene senkrecht zur ersten Drehachse A verläuft. Auf der Oberseite 2a und auf der Unterseite 2b des Mittelteils 2 bzw. des ersten Schwingelements 4 befindet sich jeweils ein zusätzliches Masseelement 6a, 6b. Die zusätzlichen Masseelemente 6a, 6b sind symmetrisch zum Mittelteil 2 bzw. zur Mittelteilebene, die durch die Drehachsen A und B gebildet wird, angeordnet. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform sind die zusätzlichen Masseelemente 6a und 6b symmetrisch zur Drehachse A und symmetrisch zur Drehachse B angeordnet, d.h es liegt Symmetrie zu den beiden Drehachsen A und B und zum Schnittpunkt der beiden Drehachsen A und B vor.
Elektroden 7 bilden zusammen mit einer nicht dargestellten Steuerung eine Anregungseinheit, um das erste Schwingelement 4 bzw. die Wippe in Schwingungen um die Drehachse A zu versetzen. Weitere Elektroden 8 bilden zusammen mit einer nicht dargestellten Elektronik eine Ausleseeinheit, um die Schwingungen des zweiten Schwingelements 5 bzw. des Rahmens um die Drehachse B zu erfassen. Die Anregung und die Auslesung der Schwingungen erfolgt elektrostatisch bzw. kapazitiv. Hierzu hat das Mittelteil 2 ein elektrisches Potential.
Im Deckelteil 1 und im Bodenteil 3 sind Aussparungen 1a bzw. 3a vorgesehen, in die jeweils ein Masseelement 6a bzw. 6b hineinragt. Dabei besteht zwischen den Masseelementen 6a, 6b und der jeweils angrenzenden Struktur des Deckelteils 1 bzw. Bodenteils 3 ein Spielraum bzw. Abstand, der ein hin- und herschwingen des mit der Wippe verbundenen Masseelements 6a, 6b innerhalb der Aussparung 1a bzw. 3a ermöglicht.
Zwischen dem Deckelteil 1 und dem Mittelteil 2 befindet sich ein Spaltabstand d und zwischen dem Mittelteil 2 und dem Bodenteil 3 befindet sich ebenfalls ein Spaltabstand e1, e2. Die Spaltabstände d, e1, e2 dienen zur elektrostatischen Anregung bzw. zur kapazitiven Auslesung der Aktorik- und Sensorikschwingung der schwingfähigen Struktur des Mittelteils 2. Die Spaltabstände d, e1, e2 sind im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung der Elektrodenstruktur bzw. zur lateralen Ausdehnung der Elektroden 8, die zur Auslesung der Schwingung des Rahmens bzw. zweiten Schwingelements 5 dienen, sehr klein. Das Verhältnis des Spaltabstands d und des Spaltabstands e2 zur lateralen Ausdehnung der Elektrode 8 ist ca. 1:100 oder kleiner. Dadurch ergeben sich sehr hohe Kapazitätswerte für die Sensorik bzw. große elektrostatische Kräfte für die Aktorik.
Der Spaltabstand e1 zwischen dem Bodenteil 3 und dem ersten Schwingelement 4, der das Verkippen bzw. Schwingen des ersten Schwingelements 4 um die Drehachse A ermöglicht, ist größer als der Spaltabstand e2 zwischen dem Bodenteil 3 und dem zweiten Schwingelement bzw. Rahmen 5, der das Verkippen um die Drehachse B ermöglicht. Dadurch wird eine große mechanische Amplitude bei der resonanten Anregung möglich, während andererseits durch den geringen Spaltabstand bei der Auslesung und die damit verbundene große Kapazität ein hohes elektrisches Ausgangssignal erzielt wird.
Das Deckelteil 1 weist an seinem Rand einen Vorsprung 11 auf, durch den es mit dem Rand 21 des Mittelteils fest verbunden ist. Durch den Vorsprung 11 bzw. den dadurch gebildeten, gegenüber dem zentralen Bereich des Deckelteils erhabenen Rand wird innerhalb des Sensors 10 ein Innenraum 9 gebildet, der den beiden Schwingelementen 4, 5 bzw, der schwingungsfähigen Struktur genügend Raum zum Ausführen der Anregungs- bzw. Ausleseschwingung bietet. Auch das Bodenteil 3 weist an seiner Oberfläche einen hervorstehenden Verbindungsbereich bzw. Bereich 31 auf, der zur Anbindung des Bodenteils 3 an das Mittelteil 2 dient und dadurch Raum für die Schwingungen bietet.
Das Bodenteil 3, das ein Bodenwafer oder ein Teil eines Bodenwafers sein kann, hat eine größere laterale Ausdehnung als die übrigen Waferteile bzw. Wafer, die das Deckelteil 1 und das Mittelteil 2 bilden. D. h., das Bodenteil 3 hat einen Randbereich, der sich über den Rand des Mittelteils 2 bzw. des Deckelteils 1 hinaus erstreckt. Auf der Oberfläche des Bodenteils 3 bzw. des Wafers im Randbereich sind Kontaktflächen 32 in Form von Anschlußpads vorgesehen, die zur Kontaktierung der Metallisierungen bzw. Elektroden 7, 8 im Innenraum 9 des Sensors dienen. Die Kontaktflächen 32 sind über Leiterbahnen 33 mit den Elektroden 7, 8 verbunden, wobei die Kontaktflächen 32, die Leiterbahnen 33 und die Elektroden 7, 8 in einer Ebene auf der Oberfläche des Bodenteils 3 bzw. unteren Wafers ausgebildet sind. Die Leiterbahnen 33 sind vergrabene Leiterbahnen, d.h. sie sind in dem Wafer integriert bzw. eingearbeitet. Dadurch erfolgt ein hermetischer bzw. vakuumdichter Verschluss des Innenraums 9.
2 zeigt eine Draufsicht auf das Mittelteil 2, das Teil eines Wafers oder auch ein ganzer Wafers sein kann, des Drehratensensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform. Das innere Schwingelement 4 bzw. die Wippe ist über zwei gegenüberliegende, schwingungsfähige bzw. torsionsfähige Aufhängungen 41 mit dem äußeren Schwingelement 5 bzw. Rahmen verbunden. Die schwingungsfähige Aufhängung 41 erlaubt ein Verkippen bzw. Schwingen der Wippe um die Achse A, die sich durch die beiden Aufhängungen 41 erstreckt. Der Rahmen bzw. das äußere Schwingelement 5 ist durch schwingungsfähige bzw. torsionsfähige Aufhängungen 42 mit dem restlichen Teil des Wafers bzw. Mittelteils 2 verbunden, der eine Haltestruktur 21 bildet, die zwischen dem Deckelteil 1 und dem Bodenteil 3 des Wafers fixiert ist. Die schwingungsfähige Aufhängung 42 des Rahmens bzw. zweiten Schwingelements 5 an der Haltestruktur 21 erlaubt ein Kippen bzw. Schwingen des Rahmens um die Achse B die sich durch die beiden Aufhängungen 42 erstreckt und senkrecht zur Drehachse A des ersten Schwingelements 4 ausgerichtet ist.
Das obere zusätzliche Masseelement 6a ist symmetrisch im Zentrum der aus Wippe und Rahmen gebildeten schwingungsfähigen Struktur befestigt und dabei gleichzeitig im Zentrum der Wippe bzw. des ersten Schwingelements 4 angeordnet. Direkt unterhalb ist das zweite zusätzliche, identisch ausgebildete Massenelement 6b angeordnet (s. 1).
Die Schwingelemente 4, 5 weisen Kanten 4a, 5a auf, die nicht rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind, sondern einen Winkel a bilden, der größer ist als 90°C. D.h., die schwingfähige Struktur, die aus den beiden Schwingelementen 4 und 5 besteht, hat eine nicht-rechtwinklige Geometrie, durch die eine Vergrößerung der Kapazitätsflächen bei gleichzeitig höherer Biegesteifigkeit, und damit höheren Eigenfrequenzen des Rahmens erzielt wird. Auch kann die Aufhängung 42 bzw. das Drehband des Rahmens stark verkürzt werden. Insgesamt kann das Eigenfrequenzspektrum der mechanischen Struktur durch die nicht-rechtwinklige Geometrie günstiger gestaltet werden. Die weiteren Vorteile der nichtrechtwinkligen Geometrie wurden oben bereits beschrieben.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine auf dem Bodenteil 3 ausgebildete Metallisierung. Die Metallisierung bildet die zwei flächig ausgestaltete Elektroden 8, die zur kapazitiven Auslesung der Schwingung des Rahmens bzw. zweiten Schwingelements 5 dienen, die aufgrund der Corioliskraft bei einer Drehung des Sensors um eine senkrecht zu den Drehachsen der Schwingelemente 4 und 5 gerichtete sensitive Achse erzeugt wird. Die Elektroden 7 sind hier nicht dargestellt, jedoch ähnlich ausgestaltet.
Die gesamte Struktur des Mittelteilwafers bzw. Mittelteils 2 besitzt ein elektrisches Potential, das den Metallisierungen bzw. Elektroden 7, 8 auf dem Bodenteil 2 gegenüberliegt. Dadurch ist es nicht notwendig, an der schwingfähigen Struktur ebenfalls Metallisierungen anzubringen, die den Elektroden 7, 8 zur Anregung und zur Auslesung gegenüberliegen (s. 1).
Jede Elektrode 7, 8 ist vollständig von einer Ringelektrode 12 umgeben, die sowohl die Elektrode 7, 8, als auch die nach außen führende Leiterbahn 33 und die außenliegende Kontaktfläche 32 umschließt. Die Ringelektrode 12 ist dabei über eine eigene, außerhalb des Sensorinnenraums gelegene Kontaktfläche 34 separat kontaktierbar. Die Ringelektrode 12, die eine Leiterbahn bildet, reduziert das elektrische Übersprechen zwischen den Elektroden 7, 8 für Sensorik und Aktorik.
4 zeigt die Verbindung zwischen Mittelteil 2 und Bodenteil 3 im Randbereich des Sensors 10 in vergrößerter Darstellung. Dabei ist der Mittelteilwafer bzw. das Mittelteil 2 über einen ohmschen Druckkontakt 35 an ein Bond- bzw. Anschlußpad des Bodenwafers 3 angeschlossen, das in Form einer Kontaktfläche 36 auf dem Bodenteil 3 ausgebildet ist. Die gesamten Anschlußpads befinden sich auf einer Ebene und sind nebeneinanderliegend angeordnet. Dadurch können sowohl die Elektroden 7, 8 als auch der Mitteiteilwafer 2 auf einfache Weise und mit deutlich reduziertem Aufwand elektrisch kontaktiert werden.
Der Mittelteilwafer 2 besteht in der bevorzugten Ausführungsform aus einkristllinem Silizium, während das Bodenteil 3 und das Deckelteil 2 z.B. aus alkalihaltigen Glaswafern, wie z.B. Borofloat- oder Pyrex-Glas, hergestellt sind. Mindestens einer der Wafer ist mit einer Elektrodenstruktur versehen. Selbstverständlich sind auch andere Materialien für die Sensorteile möglich, wobei sich die Materialawahl nach den jeweiligen Erfordernissen richtet.
Die Masseelemente 6a, 6b sind im vorliegenden Fall Stahlkugeln, die jeweils in einer Ausbuchtung auf der Ober- und Unterseite der Wippe bzw. des ersten Schwingelements 4 gelagert sind. Dabei liegen sich die Stahlkugeln genau gegenüber, so dass eine hohe Geometrie gewährleistet ist. In einer besonderen Ausführungsform werden magnetische Stahlkugeln verwendet, die sich selbst gegenseitig ausrichten. Neben Stahlkugeln sind selbstverständlich auch andere Formen und Materialien zur Ausgestaltung der Masseelemente 6a, 6b möglich, wobei die Sensorparameter durch geeignet Auswahl eingestellt werden können.
Neben einer elektrostatischen Anregungseinheit sind die verschiedensten Anregungsverfahren möglich, wie z.B. piezoelektrische, magnetostriktive, oder auch magnetische Anregungsverfahren. Auch das Ausleseverfahren kann auf andere bekannte Arten erfolgen, wobei neben kapazitiven Auslesungen auch optische Auslesungsverfahren möglich sind.
Nachfolgend wird ein Beispiel für die Herstellung des Sensors 10 beschrieben.
Zur Herstellung des Sensors werden drei Wafer einzeln bearbeitet, die das Deckelteil 1, das Mittelteil 2 und das Bodenteil 3 bilden. Die Wafer für das Deckelteil 1 und für das Bodenteil 3 werden so strukturiert, dass in ihrem Zentrum Ausnehmungen für die Masseelemente 6a, 6b vorhanden sind, wobei sich genügend Spielraum zum Ausführen der Schwingungen bietet. Auch wird ein zentraler Bereich der jeweiligen Waferoberfläche gegenüber dem Randbereich abgesenkt, so dass sich in diesem Bereich des Decket- und Bodenteils jeweils ein Spaltabstand zum Mittelteil 2 ergibt, der das Schwingen der schwingfähigen Struktur des Mittelteils ermöglicht.
Der Mittelteilwafer wird auf der Ober- und Unterseite bearbeitet, so dass die Symmetrie zur Mittelebene gewährleistet ist. Dabei wird die schwingungsfähige Struktur des Sensors, bestehend aus Rahmen und Wippe, aus einem vollen Wafer geätzt, wobei die Aufhängungen 41, 42 (siehe 2) in einem Ätzschritt hergestellt werden.
Nun werden die Masseelemente 6a, 6b auf der Oberseite und der Unterseite des Wafers, der als Mittelteil 2 vorgesehen ist, befestigt, beispielsweise durch Kleben oder magnetisch.
Auf dem Wafer, der für das Bodenteil 3 vorgesehen ist, wird eine Metalllisierungsstruktur mittels Dünnschichttechnologie aufgebracht, die die Elektroden bzw. Kondensatorflächen sowie die Zuleitungen und Anschlußpads bildet. Dabei wird die Metallisierung zur Passivierung mit einer dieelektrischen Schicht bedeckt.
Nach der seperaten Vorfertigung der drei Wafer bzw. Sensorteile werden diese zusammengefügt und fest miteinander verbunden. Dabei werden geeignete Vorkehrungen getroffen, dass sich im Innenraum 9 des Sensors ein Vakuum befindet.
Durch den symmetrischen Sensor werden Fehlerquellen, wie insbesondere eine Temperaturdrift wirksam vermieden und es ergeben sich verbesserte Messergebnisse. Die symmetrischen Zusatzmassen auf dem Mittelteil 2 ergeben eine deutlich höhere Sensorauflösung. Der hochsymmetrische mechanische Aufbau des Sensors führt zu einer hohen Langzeitstabilität bzw. geringen Offset-Drift. Das heißt, der Sensor arbeitet langfristig stabil und liefert genauere Messergebnisse. Er ist mechanisch belastbar, ohne dass bei derartigen Belastungen die Messergebnisse verfälscht werden.

Claims

Mikromechanischer Drehratensensor, mit einem ersten Schwingelement (4), das als Wippe ausgestaltet ist und schwenkbar um eine erste Achse (A) gelagert ist, einem zweiten Schwingelement (5), das als Rahmen ausgestaltet ist und schwenkbar um eine zweite Achse (B) gelagert ist, die senkrecht zur ersten Achse (A) gerichtet ist, wobei die Wippe in dem Rahmen schwenkbar gelagert ist, einer Anregungseinheit (7), um das erste Schwingelement (4) in Schwingungen zu versetzen, und einer Ausleseeinheit (8) zum Erfassen von Schwingungen des zweiten Schwingelements (5), wobei an dem ersten Schwingelement (4) mindestens zwei zusätzliche Masseelemente (6a, 6b) befestigt sind, die symmetrisch zu einer Ebene ausgerichtet sind, die durch die erste und zweite Achse (A, B) definiert ist.
Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Masseelemente (6a, 6b) getrennt von dem ersten und zweiten Schwingelement (4, 5) gefertigt sind, wobei Form, Größe und/oder Material der Masseelemente (6a, 6b) ausgewählt sind um Sensorparameter zu bestimmen und/oder wesentlich zu beeinflussen.
Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelemente (6a, 6b) achsialsymmetrische Körper sind, die auf der Oberseite (2a) und der Unterseite (2b) des ersten Schwingelements (4) befestigt sind, wobei die Masseelemente bevorzugt Kugeln, Quader, Zylinder, Kegel, Pyramiden oder Prismen sind.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schwingelement (4) eine Wippe und das zweite Schwingelement {5) ein Rahmen ist, wobei die Wippe und der Rahmen eine kardanische, schwingfähige Struktur bilden, die in einer Haltestruktur (21) befestigt ist.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Masseelemente (6a, 6b) magnetisch sind.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Masseelemente {6a, 6b) aus einem Material gefertigt sind, das eine höhere Dichte als das Material des ersten und zweiten Schwingelements (4, 5) hat.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens drei zusammengefügten Wafern hergestellt ist, die ein Bodenteil (3), ein Mittelteil (2) und ein Deckelteil {1) bilden.
Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenteil (3) und/oder das Deckelteil (1) aus alkalihaltigen Gfaswafern hergestellt sind, wobei mindestens einer der Wafer mit einer Elektrodenstruktur (7, 8) versehen ist.
Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Schwingelement (4, 5) in dem Mittelteil (2) ausgebildet sind, dessen Oberseite und Unterseite bearbeitet ist.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltabstand (d, e1, e2) zwischen aneinan dergrenzenden Waferteilen oder Wafern, der eine Auslenkung des ersten und/oder zweiten Schwingelements (4, 5) ermöglicht, klein gegenüber der lateralen/Ausdehnung von Anregungs- und/oder Ausleseelektroden (7, 8) ist, wobei das Verhältnis zwischen Spaltabstand und lateraler Elektrodenausdehnung kleiner als 1:10 ist, bevorzugt kleiner als 1:50, insbesondere bevorzugt kleiner als 1:100 oder 1:1000.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltabstand (e1), der einen Abstand zwischen der Anregungseinheit (7) und dem ersten Schwingelement (4) kennzeichnet, größer ist als ein Spaltabstand (e2), der einen Abstand zwischen der Ausleseeinheit (8) und dem zweiten Schwingelement (5) kennzeichnet.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor aus einkristallinem Silizium hergestellt ist, wobei das erste und das zweite Schwingelement (4, 5) aus einem einzigen Wafer gefertigt sind.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Schwingelement (4, 5) nicht-rechtwinklig ausgebildet ist.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Schwingelement (4, 5) Kanten (4a, 5a) aufweist, die in einem Winkel von mehr als 90 Grad aneinandergrenzen.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz einer Aktorikschwingung und die Frequenz einer Sensorikschwingung die niedrigsten Eigenmoden des ersten und/oder zweiten Schwingelements (4, 5) sind.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenverhältnis zwischen dem zweiten Schwingelement (5) und dem ersten Schwingelement (4) größer ist als 5:1, bevorzugt größer, ist, als 10:1.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 7 bis 16, gekennzeichnet durch eine Metallisierung zur Bildung einer Elektrode (7, 8) zwischen dem Bodenteil (3) und dem Mittelteil (2), die mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 7 bis 17, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Elektroden (7, 8), die zwischen dem Bodenteil (3) und dem Mittelteil (2) vorgesehen sind und die von einer geschlossenen Leiterbahn (12) umgeben ist.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 7 bis 18, gekennzeichnet durch einen ohmschen Druckkontakt (35) zum Anschluß eines Wafers, der ein Mittelteil (2) bildet, an einen weiteren Wafer, der ein Boden- oder Deckelteil (1, 3) bildet.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 7 bis 19, gekennzeichnet durch einen Sensorinnenraum (9), der durch das Bodenteil (3), den Mittelteil (2) und dem Deckel (1) hermetisch verschlossen ist, wobei vergrabene Leiterbahnen (33) zur Kontaktierung von Elektroden (7, 8) im Sensorinnenraum (9) vorgesehen sind.
Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Schwerpunkt der Masseelemente (6a, 6b) im Schnittpunkt der ersten Achse (A) und der zweiten Achse (B) liegen.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drehratensensors, mit den Schritten: Bereitstellen von mindestens 3 Wafern (1, 2, 3), wobei jeweils ein Wafer einen Deckel (1), einen Mittelteil (2) und einen Bodenteil (3) bildet; Strukturieren der einzelnen Wafer (1, 2, 3), Ausbilden einer kardanischen, schwingfähigen Struktur (4, 5) mit einer Wippe (4) in dem Mittelteil-Wafer (2) zur Ausführung einer ersten Schwingung; Befestigen von zusätzlichen Masseelementen (6a, 6b) an der Wippe (4); Ausbilden einer Anregungseinheit (7) zum Anregen der ersten Schwingung der Struktur (4, 5); Ausbilden einer Ausleseeinheit (8) zum Erfassen einer zweiten Schwingung der Struktur (4, 5), die senkrecht zur ersten Schwingung erfolgt; und Zusammenfügen der Wafer (1, 2, 3), wobei der Mittelteil-Wafer (2) mit der schwingfähigen Struktur (4, 5) auf beiden Seiten mit einem weiteren Wafer (1, 3) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Struktur (4, 5) ein schwenkbar gelagerter Rahmen (5) zur Ausführung der zweiten Schwingung ausgebildet wird, wobei die Wippe (4) in dem Rahmen (5) schwenkbar befestigt wird, und dass die Anregungseinheit (7) zur Anregung der ersten Schwingung an die Wippe (4) und die Ausleseeinheit zur Erfassung der zweiten Schwingung an den Rahmen (5) gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass an der schwingfähigen Struktur (4, 5) zusätzliche Masseelemente (6a, 6b) symmetrisch zur Achse (A, B) der ersten und/oder zweiten Schwingung befestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelteil-Wafer (2) mit der schwingfähigen Struktur (4, 5) auf seiner Ober- und Unterseite bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Struktur (4, 5) aus einem einzigen, vollen Wafer geätzt wird, wobei Aufhängungen (41, 42) der schwingfähigen Struktur (4, 5) in einem einzigen Ätzschritt hergestellt werden.