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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Drehratensensor und auf ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors.
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Zurzeit werden verschiedene Konzepte verwendet, um Drehratensensoren zu realisieren.
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In der Mikromechanik sind am häufigsten Sensoren anzutreffen, die eine linear schwingende oder rotierende Masse hoher Frequenz besitzen. Diese Masse erfährt während einer Drehbewegung nach F = v x omega eine Corioliskraft, welche zur Auslenkung eines Schwingers führt und detektiert werden kann. Die ersten Sensoren waren erheblich größer (einige cm) und basierten auf dem „Weinglasprinzip", bei dem ein kelchförmiger, bzw. ein halbkugelförmiger Oszillator in Schwingung versetzt wurde.
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Die
DE 100 40 537 A1 offenbart einen mikromechanischen Drehratensensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein kapazitiver Drehratensensor und ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein entsprechender kapazitiver Drehratensensor weist folgende Merkmale auf:
ein Substrat mit einer schalenförmigen Ausnehmung;
eine Mehrzahl von Elektroden, von denen zumindest ein Teil innerhalb der schalenförmigen Ausnehmung an dem Substrat angeordnet ist;
eine innerhalb der schalenförmigen Ausnehmung angeordneten Kugelkalotte; und
eine Federeinrichtung zum Verbinden der Kugelkalotte mit dem Substrat, wobei die Kugelkalotte über die Federeinrichtung schwingungsfähig innerhalb der schalenförmigen Ausnehmung und beabstandet zu der Mehrzahl von Elektroden aufgehängt ist.
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Der Drehratensensor kann einen Sensor darstellen, unter Verwendung dessen die Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers gemessen werden kann. Das Substrat, auch als Festland bezeichnet, kann als eine Trägerstruktur für den Drehratensensor dienen. Der Drehratensensor kann ausgebildet sein, um eine Rotation des Substrats zu detektieren. Beispielsweise kann der Drehratensensor ausgebildet sein, um eine Winkelgeschwindigkeit entlang einer, zwei oder drei Drehachsen, die orthogonal zueinanderstehen können, zu detektieren. Somit kann der Drehratensensor eingesetzt werden, um eine Gierrate und/oder eine Nickrate und/oder eine Rollrate zu detektieren. Die Elektroden können im Betrieb des Drehratensensors eingesetzt werden, um eine Schwingung der Kugelkalotte anzuregen und zusätzlich oder alternativ zu erfassen. Eine Form der Kugelkalotte kann an eine Form der schalenförmigen Ausnehmung angepasst sein. Beispielsweise kann die schalenförmige Ausnehmung als eine Form zum Herstellen der Kugelkalotte verwendet worden sein. Zwischen der schalenförmigen Ausnehmung und der Kugelkalotte kann ein Spalt angeordnet sein. Die Kugelkalotte kann dünnwandig ausgeführt sein. Die Federeinrichtung kann ein oder eine Mehrzahl von Federelementen umfassen. Ein Federelement kann als ein Steg ausgeführt sein, der eine Verbindung zwischen der Kugelkalotte und dem Substrat herstellt. Die Federeinrichtung kann eine Schwingung der Kugelkalotte relativ zu dem Substrat ermöglichen.
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Eine Kugelkalotte, beispielsweise eine Halbkugel, oder auch ein Kelch kann im mikromechanischen Maßstab prozessiert werden oder prozessiert sein. Die Schwingungsknoten einer mikromechanischen Kugelkalotte sind hierbei, im Idealfall, aufgrund von Erhaltungssätzen ortsfest. Dreht sich der Schwinger, kann über die relative Lage der Knoten zum Schwinger die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung detektiert werden. Diese Art der Detektion ist ungemein genau.
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Die Federeinrichtung kann an einem Rand der Kugelkalotte befestigt sein. Beispielsweise können mehrere Federelemente umlaufend um den Rand der Kugelkalotte angeordnet sein. Solche Federelemente können es der Kugelkalotte ermöglichen, in Weinglasmoden zu schwingen. Unter Weinglasmoden sind hierbei Moden zu verstehen, die wie beispielsweise nachfolgend anhand von 3 erläutert schwingen. Je nach Geometrie kann die Reihenfolge der Moden vertauscht sein. Entsprechend kann die Modennummer der Weinglasmoden von der Geometrie und anderen Faktoren abhängig sein. Beispielsweise können über eine Aufhängung der Kugelkalotte an Federelementen Drehungen um eine Längsachse und eine Querachse der Kugelkalotte detektiert werden. Die Längsachse und die Querachse können orthogonal zueinander und orthogonal zu einer Hochachse der Kugelkalotte stehen. Die Hochachse kann eine durch den Scheitelpunkt oder Zentralachspunkt der Kugelkalotte verlaufende Symmetrieachse der Kugelkalotte darstellen.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Federeinrichtung an einem Zentralachspunkt der Kugelkalotte an der Kugelkalotte befestigt sein. Beispielsweise kann ein Federelement der Kugelkalotte eine Verbindung zwischen dem Zentralachspunkt und dem Substrat ausformen. Durch ein solches Federelement kann eine Drehung um die durch den Zentralachspunkt verlaufende Hochachse detektiert werden.
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Zumindest eine Anzahl der Mehrzahl von Elektroden kann als ein Ring von Kugelsektorelektroden in der schalenförmigen Ausnehmung an dem Substrat angeordnet sein. Es können auch zwei oder mehr Ringe von Kugelsektorelektroden in der schalenförmigen Ausnehmung an dem Substrat angeordnet sein. Die einzelnen Ringe können entlang unterschiedlicher Höhenlinien der schalenförmigen Ausnehmung angeordnet sein. Zueinander benachbarte Kugelsektorelektroden können voneinander beabstandet angeordnet sein und somit elektrisch voneinander isoliert sein. Durch die ringförmig angeordneten Kugelsektorelektroden können Schwingungen der Kugelkalotte gezielt angeregt und zusätzlich oder alternativ detektiert werden.
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Dabei kann die Federeinrichtung eine Mehrzahl von Federelementen zum Verbinden der Kugelkalotte mit dem Substrat umfassen. Eine Anzahl der Federelemente und die Anzahl der Kugelsektorelektroden des zumindest einen Ring von Kugelsektorelektroden können in einem ganzzahligen Verhältnis zueinanderstehen. Dadurch kann ein guter Abgleich der Weinglasmoden der Kugelkalotten durchgeführt werden.
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Der kapazitive Drehratensensor kann Anschlussleitungen für die Mehrzahl von Elektroden aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest ein Teil der Anschlussleitungen zu einer die Ausnehmung aufweisenden Oberfläche des Substrats geführt sein. Zusätzlich oder alternativ kann zumindest ein Teil der Anschlussleitungen zu einer der Ausnehmung gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats geführt sein. Werden die Anschlussleitungen zu der die Ausnehmung aufweisenden Oberfläche geführt, so sind keine Durchkontaktierungen durch das Substrat erforderlich. Werden die Anschlussleitungen zu der der Ausnehmung gegenüberliegenden Oberfläche geführt, so kann die Leitungsführung der Anschlussleitungen vereinfacht werden, da es dann nicht erforderlich ist, die Anschlussleitungen zwischen den innerhalb der Ausnehmung angeordneten Elektroden hindurchzuführen.
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Ein weiterer Teil der Mehrzahl von Elektroden kann an einem Rand der schalenförmigen Ausnehmung außerhalb der schalenförmigen Ausnehmung an dem Substrat angeordnet sein. Dabei kann an einem Rand der Kugelkalotte eine Mehrzahl von Gegenelektroden angeordnet sein, die dem weiteren Teil der Mehrzahl von Elektroden zugeordnet ist. Dadurch kann die effektive Elektrodenfläche der Mehrzahl von Elektroden erhöht werden. Die Gegenelektroden können als Elektrodenkämme ausgeführt sein. Zusätzlich oder alternativ zu Kammelektroden können auch andere Elektrodenformen eingesetzt werden. Es besteht somit keine Beschränkung auf Kammelektroden. Beispielsweise kann eine Ausführungsform ohne Kammelektroden leichter zu prozessieren sein und die kapazitive Messung kann auch ohne Kämme ausreichend genau sein. Durch Elektroden an dem Rand der schalenförmigen Ausnehmung kann die Messempfindlichkeit des Drehratensensors erhöht werden.
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Der kapazitive Drehratensensor kann eine Anregeeinrichtung aufweisen, die ausgebildet sein können, um Anregespannungen an zumindest einen Anteil der Mehrzahl von Elektroden bereitzustellen. Durch die Anregespannungen kann über eine kapazitive Kopplung zwischen dem zumindest einen Anteil der Mehrzahl von Elektroden und der Kugelkalotte ein Schwingen der Kugelkalotte in zumindest einer Eigenmode angeregt werden. Zusätzlich oder alternativ kann durch die Anregespannungen ein Schwingen der Kugelkalotte entlang einer Mittelachse der Kugelkalotte angeregt werden.
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Unter einer Einrichtung kann vorliegend eine elektrische Schaltung verstanden werden, die Signale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Einrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Der kapazitiver Drehratensensor kann eine Detektionseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um unter Verwendung einer Kapazitätsänderung einer Kapazität zwischen zumindest einem Anteil der Mehrzahl von Elektroden und der Kugelkalotte Drehungen des kapazitiven Drehratensensors um drei orthogonal zueinander stehende Raumachsen zu detektieren. Beispielsweise kann die Detektionseinrichtung ausgebildet sein, um Drehungen um eine Längsachse, eine Querachse und eine Hochachse zu detektieren. Dadurch können mit nur einem Drehratensensor Drehungen um drei Achsen detektiert werden.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Substrats mit einer schalenförmigen Ausnehmung;
Anordnen einer Mehrzahl von Elektroden innerhalb der schalenförmigen Ausnehmung an dem Substrat;
Auskleiden der Ausnehmung mit einer Opferschicht, wobei die Mehrzahl von Elektroden von der Opferschicht bedeckt werden;
Aufbringen einer Funktionsschicht auf die Oberschicht;
Strukturieren der Funktionsschicht, um einen Bereich einer Kugelkalotte und Bereiche einer Federeinrichtung zum Verbinden der Kugelkalotte mit dem Substrat aus der Funktionsschicht auszuformen; und
Entfernen der Opferschicht, um die Kugelkalotte und die Federeinrichtung freizustellen und die Kugelkalotte über die Federeinrichtung schwingungsfähig innerhalb der schalenförmigen Ausnehmung und beabstandet zu der Mehrzahl von Elektroden aufzuhängen.
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Im Schritt des Anordnens der Mehrzahl von Elektroden können diese beispielsweise durch Abscheiden einer Elektrodenschicht auf eine Oberfläche der schalenförmigen Ausnehmung ausgeformt werden. Alternativ können die Mehrzahl von Elektroden im Schritt des Anordnens in eine Oberfläche der Ausnehmung eindiffundiert werden. Im Schritt des Auskleidens der Ausnehmung kann die Opferschicht in die Ausnehmung hinein abgeschieden werden. Die Opferschicht kann dazu dienen, einen Abstand zwischen der Kugelkalotte und dem Substrat zu definieren. Die Funktionsschicht kann aus einem für die Kugelkalotte geeigneten Material hergestellt werden. Die Funktionsschicht kann im Schritt des Aufbringens der Funktionsschicht auf die Opferschicht abgeschieden werden. Das Strukturieren der Funktionsschicht kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Schritt des Bereitstellens eines Substrats einen Schritt des Ätzens der schalenförmigen Ausnehmung in das Substrat umfassen. Dadurch können die gesamten Arbeitsschritte zum Herstellen des Drehratensensors nacheinander durchgeführt werden.
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Vorteilhafterweise kann der Drehratensensor mit unterschiedlichen Prozessierungsverfahren kostengünstig hergestellt werden.
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Der genannte kapazitive Drehratensensor kann als ein mikromechanischer 3-achsiger hemisphärischer Drehratensensor ausgeführt sein. Der Drehratensensor kann beispielsweise als Drehratensensor für ein ESP-Gerät (ESP = elektronisches Stabilitätsprogramm) eines Fahrzeugs verwendet werden. Ein Antiblockiersystem, eine automatische Bremskraftverteilung, eine Antriebsschlupfregelung und eine Giermomentregelung eines Fahrzeugs wirken bei einem ESP-Gerät so zusammen, dass eine Quer- und Längsstabilisierung des Fahrzeuges durch gezieltes Abbremsen einzelner Räder erreicht wird. Damit ist es möglich, ein Drehen des Fahrzeuges um seine Hochachse zu verhindern. Auf Basis von Siliziumsubstrat hergestellt, bietet der mikromechanische Drehratensensor gegenüber einem feinwerktechnischen Kreisel den Vorzug, dass er in sehr kleinen Abmessungen, im Millimeterbereich oder darunter, zu relativ niedrigen Kosten gefertigt werden kann. Vorteilhaft sind ferner eine relativ geringe Messunsicherheit und ein geringer Energieverbrauch während des Betriebes. Eine weitere Anwendung des Drehratensensors als Drehratensensor im Automobilbereich liegt in der sogenannten Überschlags- oder Rollover-Detektion eines Fahrzeuges im Zusammenhang mit Airbagsteuereinheiten und Rückhaltesystemen für Fahrzeuginsassen.
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Außerhalb des Automobilbereiches kann der Drehratensensor als Drehratensensor für Navigationszwecke sowie für die Bestimmung der Lage und des Bewegungszustandes von Fahrzeugen aller Art eingesetzt werden. Andere Einsatzfelder sind zum Beispiel Bildstabilisatoren für Videokameras, die Dynamikregelung von Satelliten beim Aussetzen in die Erdumlaufbahn oder in der zivilen Luftfahrt bei Back-up Lageregelungssystemen. Davon abgesehen bietet auch der Consumer Markt ein großes Potenzial für Drehratensensoren, da diese heutzutage standardmäßig in Smartphones benötigt werden. Auch in den vergleichsweise noch recht neuen Tablets werden sie in großer Stückzahl verbaut. Der Trend geht, insbesondere im Consumer Bereich, zu immer kleineren Geräten und somit auch zu kleineren Sensoren, wie sie durch den beschriebenen Ansatz realisiert werden können.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung einer Weinglasmode einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung einer Weinglasmode einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Darstellung einer dritten Mode einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Darstellung von Schiffsschaukelmoden einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine Darstellung einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 eine Darstellung von inversen Schiffsschaukelmoden einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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10 eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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11 eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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12 eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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13 eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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14 eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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15 eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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16 eine Darstellung einer Mehrzahl von Elektroden eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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17 eine Draufsicht auf einen kapazitiven Drehratensensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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18 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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19a bis 19h Querschnittsdarstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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20a bis 20f Querschnittsdarstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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21 eine Auflistung von Parametern eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Drehratensensor weist ein Substrat 102 und eine Kugelkalotte 104 auf. Eine Oberfläche des Substrats 102 weist eine schalenförmige Ausnehmung 106 auf. Die Kugelkalotte 104 ist innerhalb der Ausnehmung 106 und beabstandet zu einer Oberfläche der Ausnehmung 106 angeordnet.
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Die Kugelkalotte 104 ist über eine Federeinrichtung frei hängend in der Ausnehmung 106 aufgehängt. Die Federeinrichtung weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Federelementen 108 auf, die im Bereich eines umlaufenden Rands oder einer umlaufenden Kante der Kugelkalotte 104 zwischen der Kugelkalotte 104 und dem Substrat 102 verlaufen. Zusätzlich oder alternativ weist die Federeinrichtung ein Federelement 109 auf, das die den Boden der Kugelkalotte 104 mit einem Boden der Ausnehmung 106 verbindet. Beispielsweise kann das Federelement 109 an einem Zentralachspunkt, der dem Scheitelpunkt der Kugelkalotte 104 entsprechen kann, mit der Kugelkalotte 104 verbunden sein. Die Federelemente 108, 109 können auch als Federn oder Federaufhängungen bezeichnet werden. Durch den Zentralachspunkt verläuft eine Zentralachse der Kugelkalotte 104, auch z-Achse oder Hochachse genannt. Die Zentralachse kann eine Drehachse des Drehratensensors darstellen. Orthogonal zu der Zentralachse verläuft eine x-Achse sowie eine y-Achse, die weitere Drehachsen des Drehratensensors darstellen. Der Ursprung des in 1 angedeuteten Koordinatensystems kann beispielsweise in einem Zentrum der Kugelkalotte 104 liegen. Unter Verwendung des Drehratensensors können Drehungen des Drehratensensors um die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse detektiert werden.
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Zum Detektieren einer oder mehrere Drehbewegungen des Drehratensensors sind in der Ausnehmung 106 eine Mehrzahl von Elektroden 110 angeordnet. Über die Elektroden 110 kann die Kugelkalotte 104, die eine Gegenelektrode zu den Elektroden 110 darstellt, in Schwingung versetzt werden und es kann ein Verlauf der Schwingung der Kugelkalotte 104 erfasst werden. Dabei können dieselben oder unterschiedliche Elektroden 110 zum Anregen und Erfassen der Schwingung eingesetzt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 110 über eine Schnittstelle, beispielsweise elektrische Leitungen 112 mit einer Anregeeinrichtung 114 verbunden. Die Anregeeinrichtung 114 ist ausgebildet, um Anregespannungen an die Elektroden 110 anzulegen, um über eine kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden 110 und der Kugelkalotte 104 eine Schwingung der Kugelkalotte anzuregen. Beispielsweise können die Elektroden 110 so angesteuert werden, dass die Kugelkalotte 104 in einer bestimmten Mode, beispielsweise einer Schwingung in z-Richtung, angeregt wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 110 über eine weitere Schnittstelle, beispielsweise die elektrischen Leitungen 112, mit einer Detektionseinrichtung 116 verbunden. Die Detektionseinrichtung 116 ist ausgebildet, um Spannungsänderungen an den Elektroden 110 zu erfassen und basierend auf den Spannungsänderungen die Schwingung oder eine Veränderung der Schwingung der Kugelkalotte 104 zu erfassen. Basierend auf den über die Spannungsänderungen kann die Detektionseinrichtung 116 ausgebildet sein, um eine Drehung des Drehratensensors zu erfassen und ein die Drehung repräsentierendes Signal auszugeben. Beispielsweise kann über die Elektroden 110 eine bestimmte weitere Mode, beispielsweise einer ersten oder zweiten Mode (Schiffsschaukelmode) und/oder einer sechsten und siebten Mode (Weinglasmode) der Schwingung der Kugelkalotte 104 überwacht werden, um die Drehung zu detektieren.
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Die Anregeeinrichtung 114 und die Detektionseinrichtung 116 können als integrierte Schaltungen in dem Substrat 102 integriert sein. Alternativ können die Anregeeinrichtung 114 und die Detektionseinrichtung 116 als eine separate Steuereinrichtung 118 realisiert und über die Leitungen 112 mit den Elektroden 110 verbunden sein. Die Steuereinrichtung 118 kann beispielsweise in einem eigenen Gehäuse angeordnet sein, das auf dem Substrat befestigt sein kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Kugelkalotte über eine weitere Leitung, die beispielsweise über zumindest eines der Federelemente 108 geführt sein kann, elektrisch kontaktiert und beispielsweise mit einem Anschluss der Steuereinrichtung 118 verbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können Detektionskanäle der drei Achsen (x, y, z) mit einer Struktur in einem Sensor in Form des Drehratensensors zusammengefasst werden. Dadurch lässt sich ein dreiachsiger Sensor mit einer geringen effektiven Größe realisieren. Entsprechend kann ein solcher Sensor mit geringen Kosten hergestellt werden. Dabei ist eine Schwingungsanregung der Kugelkalotte 104 in z-Richtung zusätzlich zur Anregung der Weinglasmoden möglich. Dabei ist neben der Aufhängung der schwingenden Masse, in Form der Kugelkalotte 104, über Federn 108 am oberen Rand der Masse, auch eine Zentralaufhängung am Boden der Kugelkalotte 104 möglich.
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Um die Empfindlichkeit des Drehratensensors zu erhöhen, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Anbringung von Elektrodenkämmen erfolgen. Die Elektrodenkämme können ergänzend zu den Elektroden 110 eingesetzt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine hohe Empfindlichkeit des Drehratensensors über Elektroden 110 erreicht, die als Kugelsektorelektroden ausgeführt sind. Die Elektroden 110 können an einer Substratoberfläche des Substrats 102 eingelassen sein. Elektroden 110 in Form von Kugelsektorelektroden können, müssen aber nicht, die Masse in Form der Kugelkalotte 104 komplett einhüllen, da sie in die Ausnehmung, beispielsweise in Form einer halbkugelförmigen Ausätzung, eingelassen werden können.
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Die Schwingungsfrequenzen der Kugelkalotte 104 sind relativ niedrig. Da die Empfindlichkeit des Drehratensensors abhängig ist von den Frequenzen, führt dies zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit und somit zu einer besseren Detektion von Drehbewegungen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Drehratensensor als ein kapazitives Gyroskop-Bauelement ausgeführt, das die schwingungsfähig an Federn 108, 109 aufgehängte Kugelkalotte 104 und in einem Abstand dazu angeordnete Elektroden 110 in Form von Kugelsektorelektroden aufweist. Eine Verankerung der Kugelkalotte 104 am Festland, hier dem Substrat 102, kann über eine Federaufhängung, entweder am oberen Rand der Kugelkalotte 104 oder am unteren Zentralachspunkt erfolgen. Die Anzahl der Federaufhängungen 108 der schwingenden Kugelkalotte 104 und der Kugelsektorelektroden 110 auf einem Elektrodenring stehen gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander. Die Federaufhängungen 108 können bevorzugt in den Bereichen zwischen den Kugelsektorelektroden 110 an der Kugelkalotte 104 angreifen. Dadurch kann eine größere Auslenkung im Bereich der Elektroden 104 erzielt werden. Die Anschlüsse der Kugelsektorelektroden 100 können sich auf derselben und zusätzlich oder alternativ auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 102 wie die Kugelkalotte 104 befinden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Kugelkalotte 104 eine Halbkugel sein. Die Kugelkalotte kann beispielsweise aus Poly-Silizium (polySi), aus Wolfram (W), aus Titan/Titannitrid (Ti/TiN), aus Tantal/TantalNitrid (Ta/TaN), aus Aluminium (Al) oder einer Kombination der Materialien hergestellt werden. Das Material der Kugelkalotte 104 kann oberflächlich oxidiert sein, insbesondere auf der Innenseite. Die Kugelsektorelektroden 110 können aus polySi, W, Ti/TiN, Ta/TaN, Al oder einer Kombination der Materialien hergestellt werden oder sein. Das Substrat 102 selbst kann hochohmig sein.
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2 zeigt eine Darstellung einer Kugelkalotte 104 eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem und den in den nachfolgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Kugelkalotte 104 als Halbkugel ausgeführt. Die Kugelkalotte 104 ist an einer Mehrzahl von Federn 108, hier an acht Federn 108 aufgehängt, die mit dem in 2 nicht gezeigten Substrat verbunden sind, wie es in 1 ausgeführt ist. Die Federn 108 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch einen eine Mehrzahl von rechtwinkligen Knicken aufweisenden Steg gebildet. Ein solcher Steg weist zwei parallel verlaufende Stegelemente auf, die an einem Ende über einen Federbalken verbunden sind und an einem dem Federbalken gegenüberliegenden Ende mit der Kugelkalotte 104 bzw. dem Substrat verbunden sind.
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Mit im Folgenden noch näher vorgestellten Produktionsprozessen lässt sich in Kombination mit dem Prinzip des linear schwingenden Drehratensensors ein dreiachsiger Sensor konstruieren. Dabei kann eine Kugelkalotte 104, beispielsweise als schwingende Halbkugel oder Halbkugelschale, vollständig aus einem Substrat isotrop herausgeätzt werden, und es können mehrere kleine Federn 108, z. B. U-Federn, M-Federn, S-Federn etc. an oder nahe der Halbkugeloberkante stehen gelassen werden, welche die Kugel 104 mit dem Substrat verbinden.
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Diese Federn 108 dienen der Aufhängung und ermöglichen der Kugelkalotte 104 dennoch in den „Weinglasmoden", die den 6. und 7. Eigenmode der Kugelkalotte 104 entsprechen, zu schwingen.
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3 zeigt eine Darstellung einer Schwingungsform 320 einer Weinglasmode einer Kugelkalotte 104 eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Kugelkalotte 104 weist aufgrund der der Weinglasmode entsprechenden Schwingung 320 eine Verformung auf. Durch die Verformung ändert sich der Abstand zwischen den an dem Substrat angeordneten Elektroden und der den Elektroden zugewandten Oberfläche der Kugelkalotte 104. Diese Abstandsänderung bewirkt eine erfassbare und auswertbare Spannungsänderung an den Elektroden.
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Dies entspricht dem Funktionsprinzip eines sogenannten „Weinglasgyroskops“. Von der sogenannten Weinglasmode gibt es bei einer Halbkugelschale 104 zwei Stück. Wird die Halbkugelschale 104, also das sogenannte Weinglas, in Schwingung 320 versetzt, werden beide Weinglasmoden angeregt und es bilden sich Schwingungsknoten. Eine Position der Schwingungsknoten sowie eine Veränderung der Position der Schwingungsknoten kann mit den Elektroden detektiert und mit einer geeigneten Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Da kein Weinglas „perfekt“ also ideal ist, wandern die Schwingungsknoten mit einer festen Winkelgeschwindigkeit ω. Aufgrund von Erhaltungssätzen lässt sich eine angelegte Drehrate anhand einer Veränderung von ω detektieren.
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Die Modennummern der Weinglasmoden sind abhängig von der Geometrie und der Aufhängung. Die Darstellung in 3 ist zur Verdeutlichung sehr stark skaliert. Typischerweise wird die Schwingungsamplitude in der Realität niedriger sein, als in 3 gezeigt.
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4 zeigt eine Darstellung einer Weinglasmode einer Kugelkalotte 104 eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Durch die Verformung der Kugelkalotte 104 sind die Federn 108 ausgelenkt.
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Konkret sind Weinglasmoden, die den Moden 6 und 7 entsprechen, einer an U-Federn 108 aufgehängten Halbkugel 104 gezeigt. Die Federn 108 sind ausgebildet, um die Schwingung der Halbkugel 104 zu dämpfen und die Eigenfrequenz zu senken. Die Weinglasmoden über Elektroden detektiert und angeregt werden, welche sich in der oberen Substratebene, d. h. in der Ebene der Federn 108 befinden. 4 zeigt eine stark überzogene Darstellung, da die Amplitude in Wirklichkeit viel geringer ist. Entsprechend ist ein Kontakt der Federn nicht real.
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Wie gesagt, können die Weinglasmoden über die Elektroden detektiert und angeregt werden, welche sich in der oberen Substratebene, d. h. in der Ebene der Federn 108 befinden. Die Detektion einer Drehung um die z-Achse ist somit möglich. Die Detektion wird durch die Aufhängung über die Federn 108 sogar sehr genau, da entsprechend gewählte Federn 108 das System dämpfen und somit die Frequenzen der Weinglasmoden absenken. Durch das Absenken der Frequenzen ergibt sich eine Steigerung der Empfindlichkeit. Die Schwingungsfrequenzen lassen sich auf diese Weise mithilfe gewöhnlicher U-Federn 108 auf unter 100kHz senken. Damit wird eine kommerzielle Nutzung des Sensorprinzips möglich.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine vollsymmetrische Aufhängung, d. h. eine durch vier teilbare Anzahl von Federn108 verwendet, um einen guten Abgleich der beiden Weinglasmoden zu erreichen. Eine Aufhängung mit einer anderen Anzahl Federn 108 ist jedoch ebenfalls möglich. Die Form, Größe und Steifigkeit der Federn 108 kann einen enormen Einfluss auf die Größe sowie die Reihenfolge der Eigenmoden haben. Die ideale Anzahl, Form und Lage der Federn 108 sind daher entsprechend der Anwendung und abhängig vom Produktionsprozess zu wählen. Beispielsweise können M-Federn 108 eine weitere Absenkung der Weinglasmoden erwirken.
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5 zeigt eine Darstellung einer Kugelkalotte 104 eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Federn 108 als M-förmige Federn ausgeführt. Eine solche M-Feder 108 ist als ein Steg mit vier parallel verlaufenden Stegelementen und drei die Stegelemente der Reihe nach verbindenden Federbalken ausgeführt.
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Die Kugelkalotte 104 kann als ein Halbkugelsensor bezeichnet werden, der an M-Federn 108 aufgehängt ist. Die M-Federn 108 senken die Frequenzen der Weinglasmoden und der „inversen Schiffsschaukelmode", im Vergleich zu U-Federn noch einmal erheblich. Der innenliegende Federbalken der Federn 108, also der der Kugelkalotte 104 zugewandte Federbalken, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel etwas breiter modelliert, als die äußeren Federbalken, da so die Weinglas- und inversen Schiffsschaukelmoden, wie in 9 gezeigt, gesenkt werden können und gleichzeitig das Kontaktrisiko der Federn 108 beim Schwingen gemindert wird.
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6 zeigt eine Darstellung einer dritten Mode einer Kugelkalotte eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Mode 3 stellt eine durch einen Doppelpfeil gekennzeichnete Schwingung in z-Richtung dar. Die Schwingung in z-Richtung kann über unterhalb der Halbkugel 104 eingelassene Elektroden oder Elektroden in einer Kappe überhalb der Halbkugel 104 angeregt werden. Bei Drehungen um die x- und y-Achse entstehen Corioliskräfte in der xy-Ebene, welche die Schwingungsmoden 1 und 2, wie in 7 gezeigt, bzw. die Schwingungsmoden 4 und 5, wie in 9 gezeigt, anregen.
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Das Aufhängen der Kugelkalotte 104 als ein Sensor ermöglicht somit des Weiteren eine Schwingung in z-Richtung (3. Eigenmode) – im Folgenden auch als Antriebsmode bzw. Antriebsfrequenz bezeichnet, welche kapazitiv durch Elektroden über und unter der Halbkugel angeregt werden kann.
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7 zeigt eine Darstellung von Schiffsschaukelmoden einer Kugelkalotte 104 eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 6 gezeigte Kugelkalotte 104 handeln, die eine Schwingung in z-Richtung ausführt. Eine Drehung um die x- bzw. y-Achse erzeugt nun eine Corioliskraft, die ebenfalls in der xy-Ebene liegt. Wird durch eine Mitkoppelspannung die Resonanzfrequenz der Antriebsschwingung so gesenkt, dass diese identisch wird zu den Frequenzen der 1. und 2. Eigenmoden, auch als Schiffsschaukelmoden oder Detektionsmoden bezeichnet, werden diese durch eine Corioliskraft resonant angeregt, da die Schiffsschaukelmoden nicht nur eine einfache Verkippung ist, sondern auch eine Deformation der Halbkugel 104 in x-/y-Richtung beinhaltet.
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Entsprechende Schiffsschaukelmoden (Moden 1 und 2) sind in 7 gezeigt. Die Streifen symbolisieren einen Verlauf der Stärke der Deformation. Es zu erkennen, dass neben der Kippung auch eine Streckung der Halbkugel 104 erfolgt. Dies führt dazu, dass die Schwingung über Corioliskräfte in der xy-Ebene angeregt wird und eine Detektion über Elektroden unterhalb der Halbkugel 104 oder in der Ebene der Federn 108 detektiert werden kann, analog zu einer möglichen Detektion der Weinglasmoden.
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Durch die zwei unterhalb der Kugelkalotte 104 befindlichen Pfeile ist eine Deformation, hier eine Kippung und Streckung der Kugelkalotte 104 gezeigt.
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Durch das Prinzip der Mitkopplung können Drehungen des Drehratensensors detektiert werden. Aufgrund der in 7 gezeigten Deformation, die sich durch eine Kippung und Streckung auszeichnet, ist auch eine Detektion der resonanten Anregung durch seitlich abgreifende oder unterhalb der Halbkugel 104 eingelassene Elektroden möglich, wie es nachfolgend bei der Beschreibung der Prozessierung ersichtlich ist. Wahlweise kann dies über die gleichen Elektroden geschehen, welche auch die Weinglasschwingung messen. Eine dreiachsige Detektion ist somit in einem einzigen Sensorbauteil möglich.
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Um die Genauigkeit zu erhöhen, kann der Mittelwert aus mehreren Halbkugelsensoren verwendet werden. Auf diese Weise können zum Beispiel Linear- von Coriolisbeschleunigungen unterschieden werden.
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8 zeigt eine Darstellung einer Kugelkalotte 104 eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Neben einer Mehrzahl von Federn 108, die jeweils eine U-Federstruktur aufweisen, sind an dem Rand der Kugelkalotte 104 eine Mehrzahl von kapazitiven Elektrodenkämmen 810 angeordnet. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind acht Elektrodenkämme 810 vorgesehen, wobei Federelemente 108 und Elektrodenkämme 810 alternierend angeordnet sind. Jedem Elektrodenkamm 810 gegenüberliegend ist jeweils eine Substratelektrode 110 am Substratrand des Substrats 102 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Substratelektroden 110 als Kammelektroden ausgeführt und schematisch gezeigt. Die Kämme einander gegenüberliegender Elektroden 110, 810 können ineinandergreifen. Alternativ zu Kämmen können auch andere Elektroden eingesetzt werden.
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Ein Elektrodenkamm 810 weist einen entlang des Rands der Kugelkalotte 104 verlaufenden Balken und rechtwinklig davon abstehende Zinken auf, hier beispielsweise sechs Zinken. Die Zinken sind parallel zu der x-y-Ebene ausgerichtet.
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Die Bereiche zwischen den Federn 108 sind somit für kapazitive Detektionselektroden, verwendet werden, welche z. B. durch Elektrodenfinger realisiert werden können, die in die Oberfläche des Substrats eingelassen sind. Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, lässt sich die effektive Elektrodenfläche durch die Elektrodenkämme 810 erhöhen. Die Elektrodenkämme 810 können z. B. zwischen den Federn 108 an der Kugelschale 104 beim Ätzen stehen gelassen werden.
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Gezeigt ist in 8 somit ein schematischer Aufbau mit Elektrodenkämmen 810 zwischen den Federn 108, um die effektive Elektrodenfläche der kapazitiven Elektroden zu erhöhen. Dies steigert die Messempfindlichkeit erheblich.
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Des Weiteren können unterhalb der Kugelschale 104 Elektroden in das Substrat geätzt werden, die zum einen zum kapazitiven Antrieb und gleichzeitig auch zur Detektion verwendet werden können. Um bei diesen Elektroden die Genauigkeit bei der Detektion zu erhöhen, ist es sinnvoll sie in mehrere Bereiche zu unterteilen, wie es nachfolgend bei der Beschreibung des Produktionsprozesses noch näher ausgeführt wird.
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Alternativ können die Moden 4 und 5 der Schwingung der Kugelkalotte 104 zur Detektion einer Corioliskraft in der x-y-Ebene verwendet werden. Hier ist eine gute Detektion möglich, da die Schwingungsform einer inversen Schiffsschaukel entspricht, wie sie in 9 gezeigt ist, und somit die kapazitive Änderung an den Elektroden größer ist.
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9 zeigt eine Darstellung von inversen Schiffsschaukelmoden einer Kugelkalotte 104 eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind die Eigenmoden 4 und 5 – inverse Schiffsschaukel. Im Gegensatz zur normalen Schiffsschaukelschwingung ist nun der untere Mittelpunkt der Halbkugel 104 in Ruhe, das heißt, die Auslenkung in der x-y-Ebene ist größer. Eine Detektion wird daher an in der Ebene angebrachten Elektroden wird somit empfindlicher.
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Durch die beiden Pfeile ist eine Deformation entsprechend der inversen Schiffsschaukel angedeutet.
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Es ist zwar so, dass die Frequenzdifferenz zwischen den Moden 4 und 5 und der Antriebsfrequenz deutlich größer ist, als zwischen den Schiffsschaukelmoden und der Antriebsfrequenz, durch breitere U-Federn 108 oder die Verwendung von M-Federn ist eine Optimierung jedoch leicht möglich.
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Bei der Verwendung von M-Federn kann die Frequenzdifferenz beispielsweise nur noch 15kHz betrage. Aufgrund von Prozessstreuungen ist diese etwas größere Differenz unter Umständen sogar von Vorteil. Wird weiter der innere Balken der Federn etwas breiter als die anderen gewählt, so können gleichzeitig Weinglasmoden und die inversen Schiffsschaukelmoden abgesenkt werden, sowie das Kontaktrisiko der Federn 108 reduziert werden, wie es beispielsweise in 5 gezeigt ist.
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Die Kugelkalotte 104, beispielsweise in Form einer Kugelschale kann über die anhand der folgenden Figuren beschriebenen Produktionsprozesse hergestellt werden.
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10 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist entsprechend zu 1 ein Substrat 102 mit einer schalenförmigen Ausnehmung 106, eine Kugelkalotte 105 und Elektroden 110. Die Kugelkalotte 104, durch deren Scheitelpunkt eine z-Achse verläuft, ist über ein Federelement 108 mit dem Substrat 102 schwingfähig verbunden.
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Eine der Elektroden 110 ist an dem Boden der Ausnehmung 106 des Substrats 102 angeordnet. Diese Elektrode 110 ist über eine Leitung 112 in Form einer Durchkontaktierung durch das Substrat 102 elektrisch leitfähig kontaktiert. Eine andere Elektrode 110 ist an einem Rand der Ausnehmung 106 angeordnet und über eine, auf einer an den Rand der Ausnehmung 106 angrenzenden Oberfläche des Substrats 102 geführte Leitung 112 elektrisch leitfähig kontaktiert. Die Leitungen 112 weisen jeweils eine Kontaktfläche 1012 als Kontaktierungsschnittstelle auf.
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Der gezeigte Aufbau umfasst eine beidseitige Kontaktierung unter Verwendung einer Trench-Ätzung mit polySi über Ätzmaskengitter.
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11 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind drei Elektroden 110, die im Bodenbereich der Ausnehmung angeordnet sind und jeweils durch eine Leitung 112 in Form einer Durchkontaktierung kontaktiert sind. Eine der Elektroden 110 ist mittig innerhalb der Ausnehmung 106 angeordnet und die anderen beiden Elektroden 110 sind beidseitig dieser Elektrode 110 angeordnet.
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Der gezeigte Aufbau umfasst eine Rückseitenkontaktierung der Kugelsegmentelektroden 110, wie es anhand der in den 19a bis h gezeigten Prozesssequenz beschrieben ist.
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12 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau weist eine innenliegende Elektrodenkalotte 110 auf. Die Elektrodenkalotte 110 ist zwischen der Kugelkalotte 104 und der Oberfläche der Ausnehmung 106, jeweils beabstandet zu diesen, angeordnet.
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13 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Substrat 102 ist als ein hochohmiges Substrat, z. B. vom p-Typ, ausgebildet. Es sind zwei Elektroden 110 gezeigt, die als in das Substrat 102 eindiffundierte oder aufgewachsene Elektroden 110, z. b vom n-Typ, realisiert sind.
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Der gezeigte Aufbau umfasst implantierte Elektroden 110, wie es anhand der in den 20a bis f gezeigten Prozesssequenz beschrieben ist.
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14 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein Schnitt durch die Aufhängung der Kugelkalotte 104, wobei die Aufhängung durch eine Federaufhängung 108 realisiert ist. Die Kugelkalotte 104 ist als eine schwingfähige Kugelkalotte, beispielsweise aus polySi ausgeführt. Ein Schnitt durch die Elektroden 110 zeigt deren Aufbau, mit einem Isolator 1401, der als eine Schicht auf eine Oberfläche der Ausnehmung des Substrats 102 aufgebracht ist, den Elektroden 110 selbst, sowie einer Ätzstoppschicht 1405, die z. B aus ALD-AL2O3 oder SiC bestehen kann. Ein Spalt 1403, der ein Volumen einer ehemaligen Opferschicht darstellt, ist zwischen der Kugelkalotte 104 und einer Oberfläche des Isolators 1401 sowie einer Oberfläche der Ätzstoppschicht 1405 angeordnet.
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Der gezeigte Aufbau umfasst eine Kugelkalotte 104 statt einer Halbkugel. Der Aufbau basiert auf Rückschleifen oder -ätzen nach Halbkugelätzung sowie N-Sprühlack-Lithographie.
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15 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine schwingfähige Kugelkalotte 104, beispielsweise aus polySi und eine Federaufhängung 108, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel an einem unteren Scheitelpunkt der Kugelkalotte 104 angeordnet ist. Die Federanordnung 108 verbindet die Kugelkalotte 104 mit einem entlang der z-Achse geführten Stab, der von dem Boden der Ausnehmung 106 bis zu der Kugelkalotte 104 geführt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Stab als eine Verlängerung einer Leitung 112 in Form einer Durchkontaktierung durch das Substrat 102 ausgeführt. Über die Leitung 112 sowie die Federaufhängung 108 kann die Kugelkalotte 104 elektrisch kontaktiert werden.
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Der gezeigte Aufbau umfasst eine Zentralaufhängung der Kugelkalotte 104 unter Verwendung einer Sprühbelackung.
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16 zeigt eine Darstellung einer Mehrzahl von Elektroden 110 eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine Draufsicht auf eine Detektionselektrodenanordnung.
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Der Übersichtlichkeit halber sind nur drei der Elektroden 110 mit einem Bezugszeichen versehen. Jede der Elektroden ist über eine Leitung, die jeweils als eine Elektrodenzuleitung ausgeführt ist, elektrisch kontaktiert. Die Elektroden 110 sind als Kugelsektorelektroden ausgeführt. Eine der Elektroden 110 ist zentral am Mittelpunkt der Ausnehmung 106 angeordnet. Ein erster Ring von Elektroden 110, hier mit sechs Elektroden 110 ist symmetrisch um die mittig angeordnete Elektrode 110 angeordnet. Ein zweiter Ring von Elektroden 110, hier mit zwölf Elektroden 110 ist symmetrisch um den ersten Ring von Elektrode 110 angeordnet. Die Elektroden 110 des zweiten Rings grenzen an einen Rand der Ausnehmung 106. Die mittig angeordnete Elektrode ist rund. Die in den Ringen angeordneten Elektroden sind jeweils als Vierecke mit zwei gegenüberliegenden gekrümmten Kanten und zwei gegenüberliegenden schräg zueinander verlaufenden Kanten. Die Elektroden 110 eines Rings sind voneinander und von den Elektroden 110 des benachbarten Rings beabstandet. Die Leitungen 112 sind durch Zwischenräume zwischen den Elektroden 110 geführt.
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Zwischen zwei benachbarten Elektroden 110 des zweiten Rings sind jeweils bevorzugte Aufhängungspunkte 1608 der Kugelkalotte gezeigt.
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17 zeigt eine Draufsicht auf einen kapazitiven Drehratensensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist eine Draufsicht auf eine schwingfähige Kugelkalotte 104 mit Federaufhängungen 108 der Kugelkalotte 104. Zu erkennen sind auch Elektroden 110 eines äußeren Elektrodenrings, wobei nur zwei der Elektroden 110 mit Bezugszeichen versehen sind.
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18 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um einen Drehratensensor handeln, wie er anhand der vorangegangenen gezeigt ist.
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In einem Schritt 1801 wird ein Substrat bereitgestellt, in das in einem Schritt 1803 eine schalenförmige Ausnehmung geätzt wird. In einem Schritt 1805 wird eine Mehrzahl von Elektroden innerhalb der schalenförmigen Ausnehmung angeordnet. In einem Schritt 1807 wird die Ausnehmung mit einer Opferschicht ausgekleidet, beispielsweise überzogen. In einem Schritt 1809 wird eine Funktionsschicht auf die Opferschicht aufgebracht. In einem Schritt 1811 wird die Funktionsschicht strukturiert, um einen Bereich einer Kugelkalotte und Bereiche einer Federeinrichtung zum Verbinden der Kugelkalotte mit dem Substrat aus der Funktionsschicht auszuformen. In einem Schritt 1813 wird die Opferschicht entfernt, um die Kugelkalotte und die Federeinrichtung freizustellen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drehratensensors in Form eines MEMS-Bauelements mittels eines Rückseitenprozesses mit N-Lack. Das Verfahren kann wenigstens die im Folgenden genannten Prozessschritte enthalten.
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Abscheiden und Strukturieren einer Ätzmaske auf ein Substrat. Zeitgesteuertes, isotropes Ätzen 1803 einer halbkugelförmigen Ausnehmung in dem Substrat. Entfernen der Ätzmaske. Abscheiden und gegebenenfalls Strukturieren einer Isolationsschicht. Abscheiden 1805 einer leitfähigen Schicht für die Kugelsektorelektroden sowie Strukturieren mit einem N-Lack-Prozess. Optional kann die Erzeugung eines Oxids auf der Elektrodenoberfläche durchgeführt werden. Abscheiden 1807 und Strukturieren einer Opferschicht. Einbringen von Ätzgräben von der Rückseite bis zu den Kugelsektorelektroden. Abscheiden 1809 einer mechanischen Funktionsschicht. Abscheiden und Strukturieren einer Isolationsschicht. Abscheiden und Strukturieren von Metallkontakten. Strukturieren 1811 der mechanischen Funktionsschicht sowie Opferschichtätzen 1813.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drehratensensors in Form eines MEMS-Bauelements mittels eines Schattenmaskenprozesses. Das Verfahren kann wenigstens die im Folgenden genannten Prozessschritte enthalten.
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Abscheiden und Strukturieren einer Ätzmaske auf ein Substrat. Zeitgesteuertes, isotropes Ätzen 1803 einer halbkugelförmigen Ausnehmung in dem Substrat. Optional kann eine Oxidation der Oberfläche der Ausnehmung durchgeführt werden. Nachstrukturieren der Ätzmaske als Schattenmaske. Einbringen von Material durch die Öffnungen in der Schattenmaske durch Abscheiden bzw. Implantieren zur Definition von Kugelsektorelektrodenanschlüssen. Entfernen der Schattenmaske durch Lift-Off und/oder Ätzen. Abscheiden 1807 und Strukturieren einer Opferschicht. Optional kann ein Einbringen einer Ätzung von der Rückseite für eine Zentralaufhängung erfolgen. Abscheiden 1809 einer mechanischen Funktionsschicht. Abscheiden und Strukturieren einer Isolationsschicht. Abscheiden und Strukturieren von Metallkontakten. Strukturieren 1811 der mechanischen Funktionsschicht sowie Opferschichtätzen 1813.
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Die 19a bis 19h zeigen Querschnittsdarstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei erfolgt eine Darstellung der Prozessflussvariante der Rückseitenkontaktierung entsprechend zu 11.
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19a zeigt ein Substrat 102 auf dessen Oberfläche eine Ätzmaske 1901 angeordnet ist. Durch Ätzlöcher der Ätzmaske 1901 wird eine schalenförmige Ausnehmung in die unter der Ätzmaske liegende Oberfläche des Substrats 102 geätzt.
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Der gezeigte Zustand des sich in der Fertigung befindlichen kapazitiven Drehratensensors wurde nach Abscheiden der Ätzmaskierschicht 1901, der Öffnung von Ätzlöchern und einem Opferschichtätzen von Substratmaterial des Substrats 102 zur Erzeugung der halbkugelförmigen Ausnehmung 106 im Substrat 102 erreicht.
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19b zeigt neben dem in 19a gezeigten Substrat 102 eine Isolationsschicht 1401, die eine Oberfläche der Ausnehmung 106 bedeckt. Die Isolationsschicht 1401 ist elektrisch isolierend.
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Der gezeigte Zustand des kapazitiven Drehratensensors wurde nach Entfernen der Ätzmaskierschicht wenigstens im Bereich über der halbkugelförmigen Ausnehmung 106, der Erzeugung der Isolationsschicht 1401 in Form einer Oxidschicht, die wenigstens die Oberfläche der halbkugelförmigen Ausnehmung 106 auskleidet, erreicht.
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19c zeigt neben der in 19b gezeigten Isolationsschicht 1401 drei Elektroden 110, die jeweils durch eine Kugelsektorelektrodenschicht gebildet werden. Die Kugelsektorelektrodenschichten sind auf einer Oberfläche der Isolationsschicht 1401 angeordnet und je von einem N-Lack 1405 überzogen. Indem die Elektroden 110 bildenden Bereich der Kugelsektorelektrodenschicht mit N-Lack überzogen wurden, sind diese Bereiche während eines Ätzvorgangs erhalten geblieben.
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Der gezeigte Zustand des kapazitiven Drehratensensors wurde nach Abscheiden einer Elektrodenschicht, einer N-Lack-Lithographie mit Sprühbelackung zur Strukturierung der Elektroden 110 in der halbkugelförmigen Ausnehmung 106 und Ätzung der Elektrodenschicht erreicht.
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19d zeigt neben den in 19c gezeigten Elektroden 110, eine Opferschicht 1903, die in die Ausnehmung 106 eingebracht wurde und Oberflächen der Elektroden 110 und der danebenliegenden Bereiche der Isolationsschicht 1401 bedeckt.
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Der gezeigte Zustand des kapazitiven Drehratensensors wurde nach Abscheiden der Opferschicht 1903, z. B. polySiGe, einer P-Lack-Lithographie mit Sprühbelackung zur Strukturierung der Opferschicht 1903 sowie eine Ätzung der Opferschicht erreicht.
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19e zeigt neben der in 19d gezeigten Opferschicht 1903 eine mechanische Funktionsschicht 1905, die die Opferschicht 1903 sowie die Ausnehmung 106 umgebende Bereiche der Oberfläche des Substrats 102 bedeckt.
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Der gezeigte Zustand des kapazitiven Drehratensensors wurde nach Abscheiden der mechanischen Funktionsschicht 1905, z. B. aus polySi, und einer Metallisierung, einer P-Lack-Lithographie mit Sprühbelackung zur Strukturierung der Metallschicht und Ätzung der Metallschicht erreicht.
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19f zeigt neben der in 19e gezeigten mechanischen Funktionsschicht 1905 drei Ätzgräben 1907. Je ein Ätzgraben ist durch das Substrat 102 und die Isolationsschicht 1401 hindurch zu je einer der Elektroden 110 geführt. Die Ätzgräben 1907 stellen somit Sacklöcher dar, die an einer Seite durch Material der Elektroden 110 verschlossen sind.
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Der gezeigte Zustand des kapazitiven Drehratensensors wurde durch Einbringen von Ätzgräben 1907 von der Substratrückseite des Substrats 102 bis zu den Elektroden 110 und Abscheiden einer Isolationsschicht in die Ätzgräben 1907erreicht.
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19g zeigt neben den in 19f gezeigten Ätzgräben 1907 eine in den Ätzgräben 1907 angeordnete Metallisierung zum Bilden von Leitungen 112 zu den Elektroden 110.
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Der gezeigte Zustand des kapazitiven Drehratensensors wurde nach Öffnen von Kontaktöffnungen in den Ätzgräben 1907 durch Oxid-RIE (reactive ion etching) und Verfüllen der Ätzgräben 1907 auf der Substratrückseite mit einer Metallisierung erreicht.
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19h zeigt neben den in 19g gezeigten Leitungen 112 die Kugelkalotte 104 und ein Federelement 108, die aus der strukturierten mechanischen Funktionsschicht gebildet wurden. Zwischen der Kugelkalotte 104 und der Isolationsschicht 1401 befindet sich ein Spalt, der durch Entfernen der Opferschicht entstanden ist.
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Der gezeigte Zustand des kapazitiven Drehratensensors wurde nach Strukturierung der mechanischen Funktionsschicht mit Schaffung einer Zugangsöffnung zur Opferschicht und Erzeugung der Federaufhängungen 108 sowie Opferschichtätzen, z. B. mit XeF2, CIF3, HF erreicht.
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Die 20a bis 20f zeigen Querschnittsdarstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei erfolgt eine Darstellung der Prozessflussvariante mit implantierten Elektroden entsprechend zu 13.
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20a zeigt ein Substrat 102 auf dessen Oberfläche eine Ätzmaske 1901 angeordnet ist. Das Substrat 102 kann beispielsweise ein p-Typ Substrat sein. Durch Ätzlöcher der Ätzmaske 1901 wird eine schalenförmige, hier beispielsweise halbkugelförmige Ausnehmung in die unter der Ätzmaske liegende Oberfläche des Substrats 102 geätzt.
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Der gezeigte Zustand des sich in der Fertigung befindlichen kapazitiven Drehratensensors wurde nach Abscheiden der Ätzmaske 1901 aus SiO2+polySi bzw. Si3N4, einer Strukturierung mit polySi bzw. Si3N4, einer Oxidation, einem Öffnen eines Ätzloches auf dem Substrat 102 mit Oxid-RIE, einem zeitlimitierten Ätzen von Substratmaterial des Substrats 102 zur Erzeugung einer Halbkugel 106 und optional einer Oxidation der Oberfläche der Ausnehmung 106 für eine PVD-Prozessvariante entsprechend zu 20b erreicht.
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20b zeigt neben der in 20a gezeigten Ätzmaske 1901 in die Ausnehmung 106 eindiffundierte Elektroden 110, z. B vom -Typ. Eine der Elektroden 110 ist über eine eindiffundierte Leitung 112 verbunden, die über den Rand der Ausnehmung 106 hinausgeführt ist. Auf verbliebenden Bereichen der Ätzmaske 1901 befindet sich optional Lack 2010.
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Der gezeigte Zustand des sich in der Fertigung befindlichen kapazitiven Drehratensensors wurde nach Strukturierung der Ätzmaske 1901 als Schattenmaske für Implantation oder PVD (physical vapor deposition) und dann entweder Implantation mit nachfolgendem Temperschritt zur Aktivierung und Ausdiffusion oder alterativ PVD von z. B. Ta/TaN, TifTiN, ... und Lift-Off erreicht.
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20c zeigt neben den in 20b gezeigten Elektroden 110 eine Opferschicht 1903, beispielsweise aus polySiGe, die sich über die Oberfläche des Substrats 102 und somit auch über die in der Ausnehmung 106 angeordneten Elektroden 110 erstreckt.
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Der gezeigte Zustand des sich in der Fertigung befindlichen kapazitiven Drehratensensors wurde durch Entfernen der Ätz- und Implantationsmaske durch z. B. Nassätzen mit HF oder H3PO4 und Abscheidung der Opferschicht 1903, z. B. aus SiGe erreicht.
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20d zeigt neben der in 20c gezeigten Opferschicht 1903 eine Isolationsschicht 2012, die sich außerhalb der Ausnehmung 106 teilweise über die Opferschicht 1903 erstreckt.
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Der gezeigte Zustand des sich in der Fertigung befindlichen kapazitiven Drehratensensors wurde nach Strukturierung der Opferschicht 1903 sowie Abscheiden und Strukturieren der Isolationsschicht 2012 erreicht.
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20e zeigt neben der in 20d gezeigten Isolationsschicht 2012 eine mechanische Funktionsschicht 1905, die die Opferschicht 1903 zumindest im Bereich der Ausnehmung und zumindest an einigen an die Ausnehmung 106 angrenzende Bereiche der Oberfläche des Substrats 102 bedeckt. Ein sich am Rand der Ausnehmung befindlicher Bereich der Funktionsschicht 1905 wird als eine Federaufhängung 108 strukturiert. Eine Metallisierung 2014 ist in einem von der Isolationsschicht 2012 freigelassenen Abschnitt der Leitung 112 aufgebracht.
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Der gezeigte Zustand des sich in der Fertigung befindlichen kapazitiven Drehratensensors wurde nach Abscheiden der mechanischen Funktionsschicht 1905, z. B. aus polySi, und Strukturieren, Abscheiden und Strukturieren einer Metallisierung 2014 und Strukturieren der mechanischen Funktionsschicht 1905 zum Öffnen von Opferschichtätzlöchern und zum Ausbilden der Federaufhängungen 108 erreicht.
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20f zeigt neben den in 20e gezeigten Metallisierungen 2014 die Kugelkalotte 104 und ein Federelement 108, die aus der strukturierten mechanischen Funktionsschicht gebildet wurden. Zwischen der Kugelkalotte 104 und der Isolationsschicht 1401 befindet sich ein Spalt, der durch Entfernen der Opferschicht entstanden ist.
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Der gezeigte Zustand des kapazitiven Drehratensensors wurde nach Opferschichtätzen, z. B. mit XeF2 oder CIF3 erreicht.
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Der anhand der Figuren beschriebene kapazitive Drehratensensor kann als ein dreiachsiger Drehratensensor vorteilhaft für integrierte Inertialsensoren verwendet werden. Der Drehratensensor kann aufgrund der geringen Größe insbesondere für den Consumerbereich interessant sein.
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21 zeigt eine Auflistung von Parametern eines kapazitiven Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Eine Tabelle 2101 betrifft einen kapazitiven Drehratensensor mit acht U-Federn und einer Wandstärke der Kugelkalotte von 1µm.
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Eine Tabelle 2103 betrifft einen kapazitiven Drehratensensor mit acht U-Federn und einer Wandstärke der Kugelkalotte von 0,66µm.
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Eine Tabelle 2105 betrifft einen kapazitiven Drehratensensor mit acht M-Federn und einer Wandstärke der Kugelkalotte von 1µm.
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Für alle drei Tabellen 2101, 2103, 2105 stellt die Spalte 2110 den Radius in µm, die Spalte 2112 die Schiffsschaukelmoden in Hz, die Spalte 2114 die Z-Antriebsmode in Hz, die Spalte 2116 die inversen Schiffsschaukelmoden in Hz und die Spalte 2118 die Weinglasmoden in Hz dar.
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Die Wandstärke von 660nm im Vergleich zu einer 1µm dicken Wand gibt einen Hinweis auf Prozesstoleranzen. Die verschiedenen Radien 2110 zeigen Streuungen, die beim zeitgesteuerten Ätzen entstehen. Die geringe Differenz zwischen den beiden Weinglasmoden 2118 und den inversen Schiffsschaukelmoden 2116 ist nicht durch die Federn verursacht; derartige Abweichungen in der gleichen Größenordnung ergeben sich auch bei Simulationen einer Halbkugel ohne Aufhängung.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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