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Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen
Inertialsensor gemäß dein Oberbegriff
vom Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
mikromechanischen Inertialsensors.
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Mikromechanische Inertialsensoren
werden beispielsweise zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten
eingesetzt. Durch die Technik der Mikromechanik ist es möglich, derartige
Beschleunigungs- bzw. Drehratensensoren auf sehr kleinem Raum herzustellen
und relativ koste ngünstig
zu fertigen. Dabei werden z.B. aus Halbleiterbauelementen Strukturen
geschaffen, durch die die Messung von Beschleunigungen aufgrund
von Trägheitskräften oder
z.B. auch die Messung von Drehraten auf der Grundlage des Corioliseffekts
erfolgen kann.
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Derartige Sensoren können in
verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt werden, beispielsweise
in Fahrzeugen oder im Bereich der Luftfahrt. Bei Kraftfahrzeugen
werden Beschleunigungssensoren z. B. zur Auslösung von Airbag-Systemen verwendet.
Ein weiterer Anwendungsbereich sind Fahrdynamik-Regelungssysteme, bei denen die Messung
von Drehrate und die Beschleunigung in mehreren Raumrichtungen ein
zentraler Bestandteil ist. Im Bereich der Navigation dient eine
genaue Messung einer Drehrate bzw. Beschleunigung zur Positions-
oder Bahnbestimmung, insbesondere als Ergänzung zu Satell ten-Navigationssystemen.
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Im Bereich der mikromechanischen
Inertialsensoren sind kostengünstige
Lösungen
von besonderer Bedeutung um eine Serienfertigung bzw. Anwendungen
in großen
Stückzahlen
zu ermöglichen. Ein
weiterer wichtiger Faktor ist die Genauigkeit derartiger Sensoren.
Darüber
hinaus ist eine geringe Baugröße von zentraler
Bedeutung, insbesondere bei einem Einsatz in mobilen Systemen, wie
z. B. in Land- oder Luftfahrzeugen, oder auch im Bereich der Raumfahrt.
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Die Druckschrift
US 4,598,585 zeigt einen planaren
Inertialsensor, der eine kardanische Struktur zur Messung von Drehraten
auf der Grundlage des Corioliseffekts aufweist. Die kardanische
Struktur ist in einer dünnen
Schicht aus Silizium-Dioxid ausgebildet. Durch ein Antriebselement
wird ein Teil der kardanischen Struktur in Schwingungen versetzt
und eine Auslenkung des anderen Teils der kardanischen Struktur,
die durch eine wirkende Corioliskraft bei einer Drehbewegung erfolgt,
wird durch Meßelemente erfaßt.
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Ein Beispiel für einen mikromechanischen Beschleunigungssensor
ist in der Druckschrift
DE
44 39 238 A1 beschrieben. Der dort gezeigte kapazitive Beschleunigungssensor
hat einen planaren Aufbau und besteht aus zwei Halbleiterkörpern, die
flächig miteinander
verbunden sind. Eine freitragende Struktur ist mit einem der Halbleiterkörper verbunden
und senkrecht zur Fläche
der beiden Halbleiterkörper
frei beweglich.
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In der Druckschrift
EP 0 442 280 A2 ist schließlich ein
Bewegungssensor mit einer kardanischen Struktur gezeigt, in deren
Zentrum ein zusätzliches
Masseelement angeordnet ist.
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Die bekannten mikromechanischen Inertialsensoren
haben jedoch den Nachteil, dass nur einzelne Bewegungsdaten bzw.
Bewegungskomponenten meßbar
sind. Bei einer denkbaren Kombination der bekannten Sensoren zu
einem Sensormodul würden
zusätzliche
Fehlerquellen bei der Modulintegration entstehen. Weiterhin ist
eine Modulintegration mit zusätzlichen
Kosten verbunden, da die verschiedenen Sensoreinheiten miteinander
kombiniert werden müssen.
Hinzu kommt noch, dass ein derartiges Sensormodul ein relativ großes Bauvolumen
aufweisen würde.
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Die Druckschrift
DE 197 19 780 A1 beschreibt
eine Beschleunigungserfassungseinrichtung mit einer Schwingstruktur,
die auslenkbare seismische Massen aufweist um eine Drehrate zu erfassen. Eine
weitere Schwingstruktur bildet einen Beschleunigungssensor. Die
beiden Schwingstrukturen sind aus einer Siliziumschicht herausgearbeitet.
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Das US-Patent Nr. 6,032,531 A zeigt
einen mikromechanischen Beschleunigungs- und Drehratensensor mit einer schwingfähigen Platte,
auf der kugelförmige
Masseelemente aufgebracht sind um die Messempfindlichkeit zu erhöhen. Der
Sensor ist in drei Ebenen aufgebaut und umfasst Abdeckungen aus
Glas.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Intertialsensor zu schaffen, mit dem eine präzise Messung
von unterschiedlichsten Bewegungsdaten möglich ist und der dennoch eine
nur geringe Baugröße und nur
geringe Herstellungskosten erfordert. Weiterhin soll ein Verfahren
zur Herstellung eines mikromechanischen Intertialsensors angegeben
werden, das zu einem kostengünstigen,
kleinen und präzisen
Intertialsensor führt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
den mikromechanischen Intertialsensor gemäß Patentanspruch 1 und durch
das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Inertialsensors
gemäß Patentanspruch
16. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Der erfindungsgemäße mikromechanische Intertialsensor
umfasst eine kardanische Struktur, die zwei gekoppelte Schwingelemente
umfasst, eine Anregungseinheit um die kardanische Struktur in Schwingungen
um eine erste Schwingungsachse zu versetzen, eine Einrichtung zur
Erfassung einer Auslenkung der kardanischen Struktur um eine zweite Schwingungsachse,
die senkrecht zur ersten Schwingungsachse gerichtet ist, eine zusätzliche Platte
und eine Einrichtung zur Erfassung einer Auslenkung der Platte,
wobei die kardanische Struktur und die Platte aus einem einzigen
Wafer herausstrukturiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche
Platte schwenkbar um eine Drehachse befestigt und durch eine senkrecht
zur Drehachse wirkende Beschleunigung auslenkbar ist, und an der Platte
mindestens ein zusätzliches
Masse element befestigt ist, wobei der gemeinsame Schwerpunkt von
Platte und zusätzlichem
Masseelement gegenüber
der Drehachse der Platte in Richtung der Waferebene versetzt ist.
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Der erfindungsgemäße Intertialsensor ist zur Messung
von mehreren, unterschiedlichen Bewegungsdaten in verschiedenen
Raumrichtungen geeignet, wobei er dennoch ein sehr geringes Bauvolumen
aufweist und äußerst präzise Meßergebnisse liefert.
Mit dem Sensor ist eine monolithische Integration möglich, was
erhebliche Vorteile bei der Herstellung bietet. Zusätzliche
Fehlerquellen bei der Modulintegration werden vermieden. Der Inertialsensor bzw.
das Sensormodul ist eine kostengünstige
Lösung
zur Messung von dynamischen Vorgängen
in mehreren Freiheitsgraden der Bewegung, wie z.B. Gierraten, Quer- und Längsbeschleunigung
von Fahrzeugen. Er kann insbesondere mit dem selben Verfahren hergestellt
werden und es ist eine Herstellung auf einem gemeinsamen Substrat
möglich.
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Insbesondere wird die Platte bei
einer senkrecht zur Waferebene gerichteten Beschleunigung aufgrund
der wirkenden Trägheitskräfte ausgelenkt. D.h
, dass die auf diese Weise ausgestaltete Platte einen Beschleunigungssensor
mit einer Empfindlichkeit für
Beschleunigungen senkrecht zur Waferebene bildet.
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Anders ausgedrückt, der Sensor zur Messung
der Beschleunigung senkrecht zur Waferebene besitzt eine Platte,
die an zwei gegenüberliegenden Stellen
in der Waferebene befestigt sein kann, derart, dass die Platte eine
Drehbewegung um eine Achse durch die Aufhängungspunkte ausführen kann.
In diesem Fall verläuft
die Achse nicht durch das Zentrum der Platte. An einer Stelle bzw.
Position auf der Platte, die insbesondere entfernt von der Drehachse liegt,
ist beispielsweise symmetrisch zur Platte oberhalb und/oder unterhalb
je eine Masse bzw. ein Masseelement angebracht, das aus der Waferebene
herausragt.
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Vorteilhafterweise sind mehrere Platten
vorgesehen bzw. in dem Wafer ausgestaltet, um Beschleunigungen in
drei senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen zu messen. D.h.,
die aus den Platten mit verschiedenen Drehachsen ausgestalteten
Beschleunigungssensoren können
einzeln oder in Kombination miteinander vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Inertialsensor ein oder mehrere zusätzliche Masseelemente, die
an der kardanischen Struktur und/oder an der mindestens einen Platte
befestigt sind.
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Der Intertialsensor ist vorteilhafterweise
aus mindestens drei Ebenen aufgebaut, wobei der Wafer bevorzugt
ein Mittelteilwafer ist, der zwischen einem Bodenwafer und einem
Deckelwafer befestigt ist. Durch diese Ausgestaltung wird die Herstellung
noch weiter vereinfacht, was zusätzlich
zur Kostenreduktion beiträgt.
Der Aufbau in drei oder auch mehreren Ebenen bzw. Waferebenen trägt insbesondere
auch zur Flächenreduktion
bei. D.h., die einzelnen Sensoren für die verschiedenen Bewegungskomponenten sind
z.B. aus drei zusammengefügten
Wafern gefertigt.
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Bevorzugt ist der Mittelteilwafer
aus Silizium gefertigt und der Bodenwafer und/oder der Deckelwafer
sind z.B. aus Glas gefertigt.
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Vorteilhafterweise sind sowohl die
kardanische Struktur als auch die mindestens eine Platte gemeinsam
in dem Wafer bzw. in einem einzigen Wafer hergestellt. D.h., ein
Drehratensensor und mindestens ein Beschleunigungssensor werden
beispielsweise mittels Siliziummikromechanik derart hergestellt,
dass die Herstellung auf einem Wafer gemeinsam erfolgen kann. Dabei
ist die Empfindlichkeitsachse des Drehratensensors, d.h. die Achse
einer zu messenden Drehung, z.B. senkrecht zur Waferebene ausgerichtet.
Sensoren zur Messung von Beschleunigungen, z.B. senkrecht und/oder
parallel zur Waferebene, können
in beliebiger Kombination gemeinsam mit dem Drehratensensor hergestellt
werden.
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In dem Wafer können drehbare bzw. tordierbare
Aufhängungen
für die
kardanische Struktur und/oder für
die Platte ausgeformt sein. D.h., die mechanischen Aufhängungen
für Inertialmassen
bzw. Masseelemente und/oder Platten, die z.B. elektrostatisch angeregt
und ausgelesen werden, sind aus dem bzw. einem einzigen Siliziumwafer
geformt.
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Die Erfassung der Auslenkung der
Platte und/oder des zweiten Schwingelements kann kapazitiv erfolgen.
Es sind aber auch andere Arten der Erfassung von Auslenkungen möglich, beispielsweise piezoelektrisch
oder piezoresistiv.
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Die Einrichtung zur Erfassung der
Auslenkung der Platte und/oder des zureiten Schwingelements umfasst
beispielsweise mehrere kapazitive Elemente, die derart angeordnet
sein können,
dass bei einer Auslenkung eine gegenläufige Kapazitätsänderung
als Messsignal erzeugt wird. Dabei können die einzelnen Sensoren
derart ausgestaltet sein, dass die Torsion um eine Drehachse erfolgt,
die parallel zur Waferebene liegt und zu einer gegenläufigen Änderung
zweier Kondensatoren führt.
D.h., die zu messende Drehrate oder Beschleunigung erzeugt ein Drehmoment,
das zu einer Torsion bzw. Verkippung der Platte bzw. einer Kapazitätsplatte
führt und somit
zu einer gegenläufigen
Kapazitätsänderung. Dies
dient als Maß für die Drehrate
bzw. Beschleunigung, wobei eine besondere hohe Präzision erreicht wird
und Drifteffekte oder andere Störungen,
die die Messung ansonsten negativ beeinflussen würden, reduziert oder verhindert
werden.
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Vorteilhafterweise ist das zweite
Schwingelement als Rahmen ausgestaltet, wobei es eine Schwingungs-
bzw. Drehachse aufweist, die z.B. in der Waferebene liegt und insbesondere
senkrecht zur Drehachse des ersten Schwingelement: ausgerichtet
ist. Dabei kann das erste Schwingelement, das beispielsweise als
Wippe oder Platte ausgestaltet ist und innerhalb des zweiten Schwingelements befestigt
bzw. aufgehängt
ist, zwei oder mehr symmetrisch zur Waferebene ausgerichtete Masseelemente
umfassen und insbesondere eine parallel zur Waferebene liegende
Drehachse aufweisen. Dabei bildet das erste Schwingelement z.B.
einen Torsionsschwinger, d.h., es kann Torsionsschwingungen um seine
Schwingungs- bzw. Drehachse ausführen.
Dieser Torsionsschwinger befindet sich innerhalb des Rahmens bzw.
des zweiten Schwingelements, das Torsionsschwingungen um eine Achse
ausführen kann,
die z.B. parallel zur Waferebene liegt und senkrecht zur Achse der
Schwingungen der Wippe bzw. des ersten Schwingers.
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An einer der Platten ist beispielsweise
mindestens ein zusätzliches
Masseelement derart befestigt, dass der gemeinsame Schwerpunkt von
Platte und zusätzlichem
Masseelement vorteilhafterweise gegenüber der Drehachse der Platte
in einer Richtung senkrecht zur Waferebene versetzt ist. Dadurch wird
diese Platte bei einer auftretenden Beschleunigung in einer parallel
zur Waferebene gerichteten Richtung aufgrund der Trägheitskraft
ausgelenkt, so dass diese Platte einen Beschleunigungssensor zur Messung
von Beschleunigungen parallel zur Waferebene bildet.
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Diese Platte ist z.B. an zwei gegenüberliegenden
Stellen oder Positionen in der Waferebene befestigt, auf eine Weise,
dass die Platte eine Drehbewegung um eine Achse durch die Aufhängungspunkte
ausführen
kann. Diese Achse verläuft
bevorzugt durch das Zentrum dieser Platte. Das Masseelement bzw.
mindestens eine Masse kann dabei im Zentrum dieser Platte so angeordnet
sein, dass sie aus der Waferebene herausragt.
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Vorteilhafterweise besitzt der Beschleunigungssensor
zur Messung entlang einer ersten Achse parallel zur Waferebene die
selbe Struktur wie der Beschleunigungssensor zur Messung entlang
einer zweiten Achse parallel zur Waferebene, die senkrecht zur ersten
Achse gerichtet ist. Dabei können
die Beschleunigungssensoren bzw. die Platten auch relativ zueinander
um 90° gedreht
auf dem Wafer angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise liegt der Wafer
in einem hermetisch abgeschlossenen Innenraum, wobei insbesondere
elektrische Durchführungen
zu ein oder mehreren außenliegenden
Kontaktelementen vorgesehen sind. Dadurch kann der Sensorinnenraum flüssigkeits-
und gasdicht abgeschlossen werden. Die elektrischen Durchführungen
stellen eine elektrische Verbindung zwischen dem Sensorinnenraum und
den elektrischen Kontaktstellen im Außenraum her.
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Bevorzugt sind Kontaktelemente vorgesehen,
die planar und parallel zur Waferoberfläche ausgebildet sein können. Bevorzugt
sind alle elektrischen Kontaktstellen planar ausgestaltet und liegen parallel
zur Wafer- bzw. Substratoberfläche.
Dies trägt
ebenfalls zur vereinfachten Herstellung und zur einfacheren Kontaktierung
der Sensoren bzw. der einzelnen Sensorelemente bei.
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Das Masseelement bzw. die Masseelemente sind
vorteilhafterweise kugelförmig
und in zugehörigen
Vertiefungen des Wafers befestigt. Dabei können z.B. Stahlkugeln oder ähnliche
Kugeln verwendet werden, die bevorzugt ein relativ hohes Gewicht
aufweisen. Es ergibt sich eine einfache und haltbare Befestigung
in den Vertiefungen, wobei z.B. auch eine magnetische Anbindung
oder auch andere bekannte Befestigungsmöglichkeiten, wie z.B. Kleben
usw., möglich
sind.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen
Inertialsensors angegeben, mit den Schritten: Bereitstellen eines
Wafers; Herausstrukturieren einer kardanischen Struktur aus dem
Wafer mit einem ersten und einem zweiten Schwingelement; Herausstrukturieren
mindestens einer zusätzlichen Platte
aus dem Wafer, so dass sie schwenkbar um eine in der Waferebene
liegende Drehachse und durch Beschleunigungskräfte auslenkbar ist; Befestigen
mindestens eines zusätzlichen
Masseelements an der Platte derart, dass der gemeinsame Schwerpunkt
von Platte und zusätzlichem
Masseelement gegenüber
der Drehachse der Platte in Richtung der Waferebene versetzt ist;
Ausbilden einer Anregungseinheit, um die kardanische Struktur zu
Schwingungen anzuregen; und Ausbilden jeweils einer Einrichtung
zur Messung einer Auslenkung der Platte und der kardanischen Struktur,
wobei die kardanische Struktur und die mindestens eine Platte durch Strukturieren
eines einzigen Wafers mit Techniken der Mikromechanik aus dem Wafer
gebildet werden.
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Dadurch kann auf kostengünstige Weise
ein genauer und platzsparender Inertialsensor hergestellt werden,
der zur Messung von Bewegungsgrößen in einer
Vielzahl von unterschiedlichen Raumrichtungen geeignet ist. Insbesondere
kann mit diesem Verfahren der hier beschriebene mikromechanische
Inertialsensor hergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
des Verfahrens wird jeweils ein weiterer Wafer an der Oberseite
und an der Unterseite des Wafers angefügt.
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Vorteilhafterweise wird ein hermetisch
dichter Innenraum zwischen den weiteren Wafern ausgestaltet, wobei
die kardanische Struktur und die Platte in dem Innenraum angeordnet
sind.
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Ein oder mehrere zusätzliche
Masseelemente können
auch an einem Schwingelement der kardanischen Struktur befestigt
werden. D.h., die Sensoren können
jeweils mindestens eine separat angebrachte Masse aufweisen. Die
mechanische Eingangsgröße, z.B.
eine Beschleunigung oder eine Drehrate führt zu einer Verkippung einer
Kondensatorplatte. Diese Verkippung bewirkt die gegenläufige Änderung
zweier Kapazitäten.
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Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren eine
abschließende
Modulprüfung
durchgeführt,
bei der eine zusammengefaßte
Prüfung
einzelner Sensorelemente bzw. des gesamten Moduls von Sensorelementen
durchgeführt
wird. D.h., es erfolgt ein gemeinsames Prüfverfahren der Sensoren eines
Moduls. Die einzelnen Prüfungen
der Sensoren und die abschließende
Modulprüfung
können
zusammengefaßt
werden. Daraus folgt insbesondere eine Zeit- und Kostenersparnis.
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Mit dem erfindungsgemäßen Inertialsensor können Beschleunigungen
senkrecht und parallel zur Waferebene und eine Drehrate um eine
Achse senkrecht zur Waferebene mit einzelnen Sensoren bzw. Sensorelementen
gemessen werden, die insbesondere gemeinsam auf einem Substrat hergestellt
werden können.
Durch die Erfindung ist es nicht mehr notwendig, separate Sensoren
entsprechend ihrer Empfindlichkeitsachse auszurichten. Die Empfindlichkeitsrichtung
wird durch die Sensorstruktur und die Anordnung auf dem Substrat
festgelegt.
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Die Erfindung führt insbesondere zu folgenden
Vorteilen:
Geringes Bauvolumen des kompletten Sensormoduls,
d.h. insbesondere geringerer Flächenbedarf
auf dem Substrat bei der gemeinsamen Herstellung des Moduls im Vergleich
zur Herstellung der einzelnen Sensoren. Daraus folgt insbesondere
eine Reduzierung der Herstellungskosten.
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Beim Aufbau eines Sensormoduls entfällt die nachträgliche Ausrichtung
der Sensoren entlang der Empfindlichkeitsachsen. Daraus ergeben
sich eine höhere
Präzision
und verringerte Herstellkosten.
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Alle elektrischen Kontaktstellen
können
auf der selben Ebene liegen. Dies reduziert weiterhin den Aufwand
für die
Kontaktierung der Sensorelemente.
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Es kann ein gemeinsames Prüfverfahren
der Sensoren eines Moduls durchgeführt werden. Die einzelne Prüfung der
Sensoren und die abschließende
Modulprüfungen
können
dabei zusammengefaßt werden.
Daraus folgt eine weitere Zeit- und Kostenersparnis.
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Ein gemeinsames Auswerteverfahren,
insbesondere mit einem differentiellen Kapazitätsmessprinzip, ist für alle Sensoren
möglich.
Auch daraus folgt eine weitere Reduzierung der Kosten bei der Entwicklung
und der Fertigung der Auswerteelektronik.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben. Es zeigen:
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1 den
erfindungsgemäßen mikromechanischen
Inertialsensor gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einer Schnittansicht;
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2 eine
Draufsicht auf die kardanische Struktur des in 1 gezeigten Inertialsensors;
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3 eine
Draufsicht auf eine Elektrodenstruktur zum elektrostatischen Antrieb
der Schwingungen der kardanischen Struktur; und
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4 einen äußeren Randabschnitt
der bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Inertialsensors
als Schnittansicht in vergrößerter Darstellung.
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1 zeigt
einen Intertialsensor bzw. ein Sensormodul 10, das eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist, in einer schematischen Schnittansicht. Der Intertialsensor 10 ist
im vorliegenden Fall in drei Ebenen aufgebaut, wobei ein Mittelteil 11 zwischen
einem Bodenteil 12 und einem Deckelteil 13 liegt.
Das Mittelteil 11 ist ein Wafer- bzw. Substratelement, in dem schwingfähige Strukturen
ausgebildet sind. Diese schwingfähigen
Strukturen umfassen eine kardanische Struktur 14, die ein
erstes Schwingelement 16 und ein zweites Schwingelement 15 hat. In
dem Wafer 11 bzw. Halbleiterkörper sind weiterhin zwei Platten 17, 18 ausgebildet,
die jeweils schwenkbar um eine in der Waferebene liegende Drehachse P1,
P2 in dem Wafer 11 befestigt sind. Auf der innengelegenen
Oberfläche
des Bodenteils 12 befinden sich Metallisierungen bzw. leitfähige Gebiete 20,
die eine elektrostatische Anregungseinheit bilden um das erste Schwingelement 16 in
Schwingungen zu versetzen. Weitere Metallisierungen bzw. leitfähige Gebiete 19 bilden
eine Einrichtung zur kapazitiven Erfassung einer Auslenkung des
zweiten Schwingelements 15. Weitere Metallisierungen bzw.
leitfähige Gebiete 21, 22,
die auf der dem Mittelteil 11 zugewandten Oberfläche des
Bodenteils 10 ausgebildet sind, bilden eine Einrichtung
zur Erfassung einer Auslenkung der jeweiligen Platte 17, 18,
die kapazitiv wirkt.
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Die beweglichen bzw. schwingfähigen Strukturen
in dem Wafer 11, der das Mittelteil bildet, sind mit Techniken
der Mikromechanik in bzw. aus einem einzigen Wafer herausstrukturiert.
Das Mittelteil 1 1 ist ein Siliziumwafer, in dem aufgrund
der beweglichen Strukturen ein Drehratensensor zur Messung von Drehungen
um die z-Achse, ein Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungen
in Richtung der x-Achse bzw. y-Achse und ein Beschleunigungssensor
zur Messung von Beschleunigungen in Richtung der z-Achse ausgebildet
sind. Der Drehratensensor wird dabei durch die kardanische Struktur 14 gebildet,
während
der Beschleunigungssensor für
die x-Achse oder y-Achse durch die Platte 17 und der Beschleunigungssensor
für die z-Achse
durch die Platte 18 gebildet wird.
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Die Drehachsen P1 und P2 der Platten 17 bzw.
18 verlaufen beide senkrecht zur Zeichenebene, d.h. in y-Richtung,
so dass die Platten 17 bzw. 18 in z-Richtung drehbar bzw.
schwingbar gelagert sind.
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Das erste Schwingelement 16 der
kardanischen Struktur 14 ist ebenfalls drehbar bzw. schwingfähig um eine
Achse P3 gelagert, die senkrecht zur Zeichnungsebene, d.h. in y-Richtung, gerichtet
ist. Somit kann das erste Schwingelement 16 der kardanischen
Struktur 14 ebenfalls in z-Richtung ausgelenkt werden bzw.
Schwingungen mit einer Auslenkung in z-Richtung ausführen. Hierzu
ist das erste Schwingelement 16 innerhalb des zweiten Schwingelements 15,
das rahmenartig ausgestaltet ist, gelagert. Das äußere, rahmenartige zweite Schwingelement 15 ist
an dem übrigen
Wafer 11 ebenfalls schwingfähig bzw. drehbar gelagert,
wobei die Drehachse P4 des zweiten Schwingelements 15 in
der Waferebene in x-Richtung verläuft, d.h. senkrecht zur Drehachse
P3 des ersten Schwingelements 16.
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Auf der Oberseite und der Unterseite
des Wafers 11 im Bereich der darin ausgebildeten, beweglichen
Strukturen sind zusätzliche
kugelförmige Masseelemente 23, 24, 25, 26, 27 angeordnet.
Die kugelförmigen
Masseelemente sind dabei in Vertiefungen in den verschiedenen Bereichen
des Wafers 11 formschlüssig
befestigt. Die zusätzlichen
Masseelemente sind im vorliegenden Fall Stahlkugeln, die gegenüber den übrigen Bauteilen
des Inertialsensors ein relativ hohes Gewicht aufweisen. Es können aber auch
andere Formen oder Materialien für
die zusätzlichen
Masseelemente 23, 24, 25, 26, 27 verwendet werden.
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Das erste Schwingelement 16,
das als Wippe aufgestaltet ist, trägt auf seine Oberseite und
auf seine Unterseite jeweils ein Masseelement 23, 24. Die
zusätzlichen
Masseelemente 23,24 auf der Wippe 16 sind
zentral oberhalb bzw. unterhalb der Drehachse P3 der Wippe 16 angeordnet,
d.h. die Masseelemente 23, 24 sind symmetrisch
zueinander in Bezug auf die Drehachse P3 der Wippe 16 ausgerichtet. Bei
einer Schwingung der kardanischen Struktur 14 um die Drehachse
P3 der Wippe bzw. ersten Schwingelements 16, die in Waferebene
in y-Richtung verläuft,
erfolgt bei einer Drehung des Sensormoduls 10 um eine senkrecht
zur Waferebene verlaufende Achse (z-Richtung) aufgrund der wirkenden
Corioliskraft eine Auslenkung des Rahmens bzw. zweiten Schwingelements 15.
D.h., der Rahmen 15 bzw. das zweite Schwingelement wird
um die Drehachse P4 ausgelenkt. Diese Auslenkung des Rahmens 15 in
z-Richtung ist ein Maß für die Drehrate
des Inertialsensors bzw. Sensormodul 10 um eine in z-Richtung
verlaufende Drehachse.
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Auf der Oberseite des ersten Plattenelements 17 ist
das Masseelement 25 zentral angeordnet und in einer Vertiefung
formschlüssig
befestigt. Dabei befindet sich das Masseelement 25 genau oberhalb
der Drehachse P1 der ersten Platte 17. Somit ist der Massenschwerpunkt
gegenüber
der Drehachse P1 und gegenüber
der Waferebene ausgelagert. Bei einer Beschleunigung des Inertialsensors 10 in
x-Richtung wirkt daher eine Trägheitskraft
aufgrund des zusätzlichen
Masseelements 25, so dass eine Verkippung der ersten Platte 17 um
ihre Drehachse P1 erfolgt. D.h., die Platte 17 wird in
z-Richtung ausgelenkt.
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Auf der Oberseite und auf der Unterseite
der zweiten Platte 18 ist jeweils ein zusätzliches
Masseelement 26 bzw. 27 angeordnet. Die kugelförmigen Masseelemente 26, 27 sind
wie oben beschrieben in Vertiefungen befestigt. Sie sind jedoch
nicht zentral oberhalb bzw. unterhalb der Drehachse P2 der zweiten
Platte 18 angeordnet, sondern bezüglich dieser Drehachse in Richtung
der Waferebene bzw. in x-Richtung versetzt. Im vorliegenden Fall
sind die zusätzlichen
Masseelemente 26, 27 am Rande der Platte 18 befestigt.
D.h., der Schwerpunkt der Masseelemente 26, 27 ist
gegenüber
der Drehachse P2 in x-Richtung bzw. in Richtung der Waferebene versetzt.
Bei einer Beschleunigung in z-Richtung,
d.h. senkrecht zur Waferebene bzw. zur Ebene des Sensormoduls 10 erfolgt
eine Auslenkung bzw. Verkippung der zweiten Platte 18 in
z-Richtung aufgrund der wirkenden Trägheitskräfte der zusätzlichen Masseelemente 26, 27.
Die Platte 18 wird dabei um die in y-Richtung verlaufende
Drehachse P2 verkippt.
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Es versteht sich von selbst, dass
nicht zwingend auf der Oberseite und auf der Unterseite jeweils ein
Masseelement angeordnet sein muß,
um die Trägheitskräfte zur
Messung der Beschleunigungen bzw. die Corioliskraft aufgrund einer
Drehrate zu bewirken. Jedoch hat diese Anordnung mit symmetrisch
auf der Oberseite und auf der Unterseite angeordneten Masseelementen
sehr große
Vorteile im Hinblick auf die Messgenauigkeit des Sensors, die durch
den hohen Grad an Symmetrie wesentlich verbessert wird.
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Im Deckelteil 13 und im
Bodenteil 12, die im vorliegenden Fall aus Glas gefertigt
sind, sind Aussparungen 13a bzw. 12a vorgesehen,
um die zusätzlichen
Masseelemente 23, 24, 25, 26, 27 aufzunehmen.
Dabei wird ein ausreichend großer
Spielraum gewährt,
so dass die Schwenk- bzw. Kippbewegungen der Plattenelemente 17, 18 und
der kardanischen Struktur 14 ausgeführt werden können.
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Das Halbleitersubstrat bzw. der Wafer 11 ist an
seinen Randbereichen mit dem darunterliegenden Bodenteil 12 und
dem darüberliegenden
Deckelteil 13 fest verbunden. Durch diese Verbindung wird
ein hermetisch abgeschlossener Innenraum 28 ausgebildet,
in dem sich die beweglichen Strukturen des Wafers 11 befinden.
Somit sind die in dem Wafer 11 ausgebildeten bzw. herausstrukturierten
einzelnen Sensoren zur Messung von Beschleunigungen und Drehraten
nach außen
hin gasdicht bzw. flüssigkeitsdicht
abgeschlossen. Im vorliegenden Fall wird eine druckdichte Verbindung
hergestellt, wobei der Innenraum 28 evakuiert sein kann.
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Sämtliche
leitfähigen
Gebiete zum Antrieb der Sensorelemente bzw. zur Auslesung von Kipp- oder
Schwenkbewegungen der beweglichen Strukturen sind planar bzw. flächig auf
der Oberseite des Bodenteils 12 angeordnet. Die leitfähigen Gebiete 19, 20, 21, 22 sind
parallel zueinander und parallel zu den gegenüberliegenden Flächen des
Mittelteils bzw. des Wafers 11 ausgerichtet.
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Das leitfähige Gebiet 20 dient
zum elektrostatischen Antrieb des inneren, wippenartigen Schwingelements 16 bzw.
der kardanischen Struktur 14. Das leitfähige Gebiet 19 liegt
dem äußeren, rahmenartigen
Schwingelement 15 gegenüber
und bildet ein Paar von Kondensatoren zur Auslesung der Kippbewegung
bzw. Auslenkung des Rahmens 15.
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Dabei erfolgt eine gegenläufige Kapazitätsänderung,
wodurch Messungenauigkeiten weitgehend reduziert werden können.
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Das leitfähige Gebiet 21 ist
flächig
gegenüber
der Unterseite der Platte 17 angeordnet und bildet zusammen
mit der Platte 17 ebenfalls ein Kondensatorpaar, wobei
auf jeder Seite der Drehachse P1 ein Kondensator ausgestaltet ist.
Auch hier ergibt sich eine gegenläufige Kapazitätsänderung
bei einer Auslenkung der Platte 17 und die Drehachse P1.
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Das leitfähige Gebiet 22 ist
ebenfalls flächig auf
der Oberseite des Bodenteils 12 ausgebildet und parallel
zur gegenüberliegenden
Platte 18 ausgerichtet. Das leitfähige Gebiet 22 bildet
auch hier zusammen mit der Platte 18 ein Kondensatorpaar,
das bei einer Auslenkung der Platte 18 gegenläufige Kapazitätssignale
erzeugt.
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Elektrische Durchführungen 29 im
Randbereich des Sensormoduls 10 stellen eine elektrische Verbindung
zwischen den im Innenraum 28 liegenden Sensorelementen
und außenliegenden
elektrischen Anschlüssen 30 dar, über die
der Anschluss von Stromversorgungs- , Steuerungs- und Signalauswertungseinheiten
erfolgt.
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2 zeigt
einen Teilbereich des Wafers 11 in einer Ansicht von oben,
der durch seine Strukturierung die kardanische Struktur 14 bildet.
In diesem Teilbereich sind gegenüberliegende äußere Schlitze 31, 32 und
gegenüberliegende
innere Schlitze 33, 34 ausgebildet. Dadurch ergibt
sich die kardanische Struktur 14 mit einem äußeren, schwenkbar
bzw. schwingbar gelagerten Rahmen, der das zweite Schwingelement 15 bildet,
und mit einer innerhalb des Rahmens ausgeformten und beweglich bzw. schwenkbar
daran gelagerten Wippe in Form einer Platte, die das erste Schwingelement 16 bildet.
Jedes der Schwingelemente 15, 16 ist an schwingungsfähigen bzw.
tordierbaren, gegenüberliegenden
Aufhängungen 35, 36 bzw. 37, 38 befestigt.
Jedes Paar von gegenüberliegenden
Aufhängungen 35, 36 bzw. 37, 38 bildet
eine Drehachse P4 bzw. P3 für
die kardanische Struktur 14, wobei die beiden Drehachsen
P3, P4 senkrecht zueinander in der Waferebene bzw. Bauelementebene
verlaufen.
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3 zeigt
die prinzipielle Ausgestaltung der leitfähigen Gebiete, die jeweils
ein Paar von Elektrodenflächen 39 bilden.
Die oben beschriebenen leitfähigen
Gebiete 19, 20, 21, 22 sind
vorteilhafterweise auf diese Weise ausgestaltet. Jede Elektrodenfläche 39 ist
von einer geschlossenen Ringelektrode 41 umgeben. An jeder
der Ringelektroden 41 befindet sich ein Anschluss 43 bzw.
Anschlusspad zur elektrischen Kontaktierung der Ringelektroden 41.
Weiterhin ist an einem Ende jeder Elektrodenfläche 39 ein Anschluss 44 bzw.
Anschlusspad für
die jeweilige Elektrodenfläche
vorgesehen.
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In den 4 ist
ein Randbereich des Inertialsensors 10 bzw. Sensormoduls
in einer vergrößerten Schnittansicht
gezeigt. Das Mittelteil 11 bzw. der Wafer ist über einen
Druckkontakt 45 mit dem Bodenteil 12 aus Glas
verbunden. Dabei ist in diesem Bereich, wie oben beschrieben, eine
druckdichte elektrische Durchführung
vom Sensorinnenraum nach außen gewährleistet.
Das Bodenteil 12 steht randlich gegenüber dem Mittelteil 11 etwas
hervor, d.h. es ist ein Vorsprung ausgebildet, auf dessen Oberseite
der Anschluß 30 in
Form eines Anschlußpads
durch geeignete Metallisierungen ausgestaltet ist.
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Die Platten 17, 18 (siehe 1), welche wie oben beschrieben
Beschleunigungssensoren für
die z-Achse und für
die x-Achse und/oder y-Achse bilden, sind ähnlich wie die kardanische
Struktur 14 jeweils an gegenüberliegenden Aufhängungspunkten bzw.
Positionen an dem restlichen Wafer 11 befestigt. Sie sind
somit ebenfalls als Wipp-Element
bzw. Wippen ausgestaltet und drehbar um eine Achse, die durch einen
Bereich bzw. einen zentralen Bereich der jeweiligen Platte verläuft.
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Es versteht sich von selbst, dass
die Drehachsen P1, P2, P3, P4 der einzelnen Schwingelemente in den
verschiedensten Raumrichtungen verlaufen können, so dass Messempfindlichkeiten
für Bewegungsgrößen in den
verschiedensten Richtungen möglich
sind. Ebenso ist es möglich,
dass nur eine einzige Platte zusätzlich
zur kardanischen Struktur 14 in dem Wafer 11 ausgestaltet
ist.
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Bei der Herstellung des mikromechanischen Inertialsensors
wird in einem Wafer eine kardanische Struktur mit Technik der Mikromechanik
herausstrukturiert. In demselben Wafer wird weiterhin mindestens
eine zusätzliche
Platte herausstrukturiert, die schwenkbar um eine in der Waferebene
liegende Drehachse ist. Nun werden leitfähige Gebiete auf einem Wafer
aus Glas, d.h. dem späteren
Bodenwafer 12, aufgebracht, welche die späteren Anregungseinheiten
für die
kardanische Struktur 14 und die Ausleseeinheiten zur Messung
der Plattenauslenkungen bilden. Auf dem strukturierten Wafer bzw.
Halbleiterbauelement aus Silizium werden nun die oben beschriebenen,
kugelförmigen
Masseelemente in zuvor gefertigten Vertiefungen eingefügt und dort
befestigt. Anschließend
wird der strukturierte Wafer an seiner Unterseite mit dem darunterliegenden
Wafer aus Glas verbunden, der die leitfähigen Gebiete trägt. Ein weiterer
Glaswafer wird nun von oben auf den strukturierten Wafer gesetzt,
wobei ein abgeschlossener Innenraum zwischen dem oberen und dem
unteren Wafer entsteht.
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Die Verbindung der Wafer erfolgt
randlich über
Druckkontakte, wobei elektrische Durchführungen nach außen ausgebildet
werden. Der Sensormodul wird bevorzugt evakuiert.
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Abschließend erfolgt eine Modulprüfung, d.h. es
wird eine zusammengefasste Prüfung
der einzelnen Sensorelemente bzw. des gesamten Moduls von Sensorelementen
durchgeführt.