-
Die Erfindung betrifft einen mikroelektromechanischen Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Drehratensensor enthält einen mechanischen Oszillator mit mindestens zwei Schwingungsmoden. Im Betrieb wird eine der beiden Schwingungsmoden definiert angeregt. Bei einer Rotation des Sensors um eine geeignet gewählte vorgegebene Drehachse tritt aufgrund der Corioliskraft eine Kopplung der Schwingungsmoden auf, die zu einer Anregung der zweiten Schwingungsmode führt. Die zugehörige Schwingungsamplitude dient dabei als Maß für die Winkelgeschwindigkeit (Drehrate) der Rotation.
-
Die Amplitude der zweiten Schwingungsmode bzw. die diesbezügliche Auslenkung des Oszillators aus der Ruhelage kann beispielsweise kapazitiv oder induktiv gemessen werden. Auch eine optische, piezoelektrische oder piezoresistive Messung ist möglich.
-
In der Regel bewirkt eine Rotation des Sensors eine vergleichsweise schwache Kopplung der Schwingungsmoden, so daß die Schwingungsamplitude der zweiten Schwingung entsprechend gering ist. Dies führt zu einem erheblichen Pegelunterschied zwischen dem elektrischen Antriebssignal für die erste Schwingung und dem elektrischen Meßsignal für die Amplitude der zweiten Schwingung. Dieser Pegelunterschied beträgt typischerweise mehrere Größenordnungen. Daher werden an die Signalverarbeitung bei solchen Drehratensensoren hohe Anforderungen gestellt, wobei insbesondere auf eine ausreichende Entkopplung des Antriebssignals und des Meßsignals zu achten ist.
-
Die genannten Drehratensensoren können hinsichtlich ihrer technischen Realisierung in zwei Gruppen eingeteilt werden.
-
Die erste Gruppe umfaßt monolithisch integrierte Drehratensensoren, bei denen die mikroelektromechanischen Elemente und die Signalverarbeitungsschaltung auf einem Chip monolithisch integriert sind. Diese integrierte Bauweise erleichtert einerseits die Signalverarbeitung bzw. reduziert elektrische Störungen. Andererseits erfordert eine monolithisch integrierte Bauweise aufgrund der Vereinigung von mikroelektronischen und mikromechanischen Komponenten Kompromisse bei der Herstellung und zusätzlich vergleichsweise aufwendige Herstellungsprozesse. Insbesondere sind aufgrund der geringen Schichtdicken bei der monolithischen Herstellung in der Regel nur mikromechanische Oszillatoren mit vergleichsweise kleinen bewegten Massen mit vertretbarem Aufwand realisierbar. Es hat sich aber gezeigt, daß hinsichtlich eines möglichst großen Meßsignals große bewegte Massen vorteilhaft sein können. Ferner ist eine zusätzliche äußere Vakuumverpackung erforderlich.
-
Die zweite Gruppe von Drehratensensoren umfaßt hybrid aufgebaute Sensoren, bei denen mikromechanische Elemente und Signalverarbeitung in Form von separaten Halbleiterchips voneinander getrennt sind. Die Signalübertragung erfolgt in der Regel über Signalleitungen. Durch die Trennung von Mikromechanik und Signalverarbeitung wird zwar die Herstellung vereinfacht, aber die Signalleitungen können zu einer erheblichen Signalabschwächung führen. Ferner weisen hybride Drehratensensoren in der Regel vergleichsweise große Abmessungen auf und erfordern eine aufwendige Verpackungs- und Herstellungstechnik.
-
Dokument
DE 198 44 686 A1 befasst sich mit einem mikromechanischen Drehratensensor. Dabei umfasst ein Substratwafer eine integrierte Schaltung und eine Elektrode. Der Substratwafer ist über eine Verbindungsschicht mit einem Strukturwafer verbunden, der mikromechanisch strukturiert ist und eine seismische Masse aufweist. Die Verbindungsschicht kann beispielsweise ein Kleber sein.
-
Dokument
US 2003/0013246 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren eines Tunnelgyroskops. Die Tunnelspitze ist an einem Steg befestigt. Zwei Teile des Gyroskops werden mittels einer eutektischen Verbindung aufeinander befestigt.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Signalverarbeitung zu schaffen. Insbesondere soll der Drehratensensor zugleich mit möglichst geringem Aufwand herstellbar sein.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Drehratensensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Erfindungsgemäß ist ein mikroelektromechanischer Drehratensensor mit einem ersten Halbleiterkörper vorgesehen, der einen mechanischen Oszillator mit mindestens einem oszillierenden Element aufweist, wobei der mechanische Oszillator mindestens eine erste und eine zweite Schwingungsmode besitzt, im Betrieb eine Schwingung der ersten Schwingungsmode angetrieben wird und eine Rotation des Drehratensensors eine Kopplung der ersten und der zweiten Schwingungsmode bewirkt. Der erste Halbleiterkörper ist mit einem zweiten Halbleiterkörper verbunden, der eine integrierte Schaltung mit mindestens einer Meßelektrode aufweist, mittels der eine Schwingung der zweiten Schwingungsmode kapazitiv erfaßt wird, wobei die Meßelektrode in einem dem oszillierenden Element gegenüberliegenden Bereich des zweiten Halbleiterkörpers angeordnet ist.
-
Der erste Halbleiterkörper weist als Antriebsmittel für den mechanischen Oszillator mindestens eine Elektrode auf, die mit der integrierten Schaltung des zweiten Halbleiterkörpers elektrisch leitend verbunden ist. Der mechanische Oszillator ist als Pendel oder Doppelpendel ausgebildet. Das Pendel beziehungsweise das Doppelpendel ist jeweils als einseitig eingespannter Biegebalken mit einem verbreiterten freien Ende geformt und umfasst mehrere Öffnungen. Der erste und der zweite Halbleiterkörper sind mittels einer vakuumdichten eutektischen Verbindung verbunden, so daß der mechanische Oszillator in einer Vakuumumgebung gelagert ist.
-
Die Anordnung der Meßelektrode der integrierten Schaltung in einem dem oszillierenden Element gegenüberliegenden Bereich ermöglicht eine kapazitive Messung der Schwingungsamplitude mit hoher Präzision, wobei vorteilhafterweise keine längeren Signalleitungen zwischen der Elektrode und der integrierten Schaltung zur Signalverarbeitung erforderlich sind.
-
Die Meßelektrode bildet dabei mit dem oszillierenden Element des mechanischen Oszillators einen Meßkondensator, mittels dessen Kapazität die Auslenkung bzw. die Schwingungsamplitude bestimmt wird. Sei der erfindungsgemäßen Anordnung werden parasitäre Kapazitäten vorteilhaft gering gehalten. Gegenüber hybriden Drehratensensoren mit längeren Signalleitungen zwischen dem mikromechanischen Element und der Signalverarbeitungsschaltung kann so der Signalpegel um bis zu zwei Größenordnungen erhöht werden.
-
Weiterhin wird bei der Erfindung die Herstellung erleichtert, da der erste Halbleiterkörper mit dem mikromechanischen Oszillator und der zweite Halbleiterkörper mit der Signalverarbeitungsschaltung unabhängig voneinander gefertigt werden können und die Halbleiterkörper erst nach der Fertigung zueinander positioniert werden.
-
Die Antriebsmittel für den mechanischen Oszillator können beispielsweise Elektroden sein, die ein elektrisches Feld zum Antrieb des Oszillators, d. h. zur Anregung einer Schwingung der ersten Schwingungsmode erzeugen. Eine Ansteuerschaltung ist zweckmäßigerweise ebenfalls in dem zweiten Halbleiterkörper integriert, wobei die Ansteuerschaltung und die Antriebsmittel vorzugsweise durch Signalleitungen elektrisch verbunden sind. Da zur Ansteuerung der Antriebsmittel vergleichsweise hohe Signalpegel erforderlich sind, ist der Einsatz von Signalleitungen an dieser Stelle unproblematisch.
-
Der mechanische Oszillator ist als mechanisches Pendel oder Doppelpendel ausgeführt. Ein mechanisches Pendel kann zum Beispiel als mikromechanischer Biegebalken, wie er auch in Druck- bzw. Beschleunigungssensoren verwendet wird, realisiert sein. Im Gegensatz zu Druck- oder Beschleunigungssensoren sind bei der Erfindung allerdings zwei Schwingungsmoden eines solchen Biegebalkens relevant. Insgesamt können solche Pendeloszillatoren mittels an sich bekannter und bewährter Herstellungsverfahren ausgebildet werden.
-
Gegenüber einem einfachen Pendel stellt ein Doppelpendel ein massebalanciertes System mit ausgeglichenen Schwingungsmassen dar, das sich durch eine erhöhte Empfindlichkeit auszeichnet. Bei einem derartigen massebalancierten System bleibt der gemeinsame Schwerpunkt der beiden Pendel in Ruhe, so daß keine störende Unwucht auftritt.
-
Weiter bevorzugt ist der mechanische Oszillator, insbesondere in Form eines Pendels oder Doppelpendels, so angeordnet, daß die zweite Schwingungsmode eine Schwingung senkrecht zur gemeinsamen Verbindungsebene von erstem und zweitem Halbleiterkörper ist. Auf diese Weise wird die mit der zweiten Schwingungsmode verbundene Abstandsänderung zwischen Meßelektrode und mechanischem Oszillator und in der Folge das hieraus gewonnene kapazitive Meßsignal optimiert.
-
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, den mechanischen Oszillator so zu bilden, daß die erste Schwingungsmode eine Schwingung parallel zur gemeinsamen Verbindungsebene der beiden Halbleiterkörper darstellt. Damit wird einerseits vermieden, daß die erste Schwingung einen unmittelbaren Signalbeitrag zum Meßsignal leistet. Andererseits wird so bei zueinander orthogonalen Schwingungsmoden die rotationsbedingte Kopplung zwischen den Schwingungsmoden maximiert.
-
Die eutektische Verbindung ist vorteilhafterweise vakuumdicht. Eine zusätzliche äußere Vakuumverpackung ist somit nicht erforderlich. Zudem ermöglicht die eutektische Verbindung eine präzise Einstellung des Abstands zwischen den betreffenden Halbleiterkörperoberflächen. Dies ist bei der Erfindung von besonderer Bedeutung, da dieser Abstand das kapazitive Meßsignal maßgeblich mitbestimmt.
-
Hinsichtlich einer Vakuumumgebung des mechanischen Oszillators sind bei der Erfindung zwei Varianten bevorzugt. Bei der ersten Variante ist der mechanische Oszillator im Hochvakuum gelagert, wobei die erste Schwingungsmode resonant angeregt wird. Als Hochvakuum ist hierbei ein Druck kleiner oder gleich 10–2 mbar anzusehen, beispielsweise ein Druck von etwa 10–3 mbar.
-
Diese Variante zeichnet sich durch besonders geringe Antriebskräfte zur Anregung der ersten Schwingung aus.
-
Bei der zweiten Variante ist der mechanische Oszillator im mittleren Vakuum gelagert und wird abseits von Resonanzen angeregt. Hierbei sind gegenüber der ersten Variante zwar größere Antriebskräfte erforderlich, aber es wird vorteilhafterweise eine geringere Anlaufzeit für den mechanischen Oszillator und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Temperaturänderungen erreicht. Als mittleres Vakuum ist hierbei ein Druck über 10–2 mbar anzusehen, insbesondere ein Druck zwischen 10–2 mbar und 10–1 mbar.
-
Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen von drei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 4.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehratensensors,
-
2 eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehratensensors,
-
3 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehratensensors und
-
4 eine weitere Schnittansicht des dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehratensensors.
-
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.
-
Der in 1 perspektivisch dargestellte Drehratensensor umfaßt einen ersten Halbleiterkörper 1, in dem ein mechanischer Oszillator 2 in Form eines mikromechanischen Pendels ausgebildet ist. Das Pendel ist nach Art eines einseitig eingespannten Biegebalkens mit einem verbreiterten freien Ende als oszillierendem Element 3 bzw. oszillierender Masse geformt.
-
Der erste Halbleiterkörper ist aus einem SOI-Wafer (Silicon an Isolator) gefertigt und weist eine Substratschicht 7, eine Oxyd-Opferschicht 8 und eine Siliziumschicht 9 auf. Zur Ausformung des Pendels wurde die Siliziumschicht 9 zunächst entsprechend strukturiert. Nachfolgend wurde die Opferschicht 8 zwischen der Substratschicht 7 und der Siliziumschicht 9 teilweise entfernt, beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens, so daß das Pendel beweglich gemacht wurde.
-
Der erste Halbleiterkörper 1 ist mit einem zweiten Halbleiterkörper 4 verbunden. Der zweite Halbleiterkörper 4 umfaßt eine integrierte Schaltung 5 zur Signalverarbeitung und zur Ansteuerung der (nicht dargestellten) Antriebsmittel des mechanischen Oszillators 2. Weiterhin ist eine zur integrierten Schaltung 5 gehörige Meßelektrode 6 in einem dem verbreiterten Ende des Pendels gegenüberliegendem Bereich angeordnet, so daß also in Richtung der Verbindung von erstem Halbleiterkörper 1 und zweitem Halbleiterkörper 4 gesehen die Meßelektrode unter dem oszillierenden Element des mechanischen Oszillators aus angeordnet ist. Der Abstand zwischen oszillierender Element 3 und Meßelektrode 6 ist in der Ruhelage kleiner oder gleich 10 μm, vorzugsweise kleiner oder gleich 6 μm.
-
Der mechanische Oszillator besitzt zwei Schwingungsmoden 10, 11. Die erste Schwingungsmode 10 stellt eine laterale Schwingung parallel zur gemeinsamen Verbindungsebene von erstem und zweitem Halbleiterkörper dar, die zweite Schwingungsmode 11 eine zur ersten Schwingungsmode orthogonale vertikale Schwingung. Die gemeinsame Verbindungsebene ist hierbei parallel zu den Flächen, an denen der erste und der zweite Halbleiterkörper 1,4 aneinandergrenzen.
-
Im Betrieb wird durch (nicht dargestellte) Antriebsmittel eine laterale erste Schwingung der ersten Schwingungsmode 10 angeregt. Diese Schwingung führt zu einer Bewegung des oszillierenden Elements 3 in y-Richtung bezüglich des in 1 dargestellten Koordinatensystems.
-
Bei einer Rotation des Drehratensensors um eine zur x-Achse des Koordinatensystems parallelen Drehachse
15 wirkt auf das oszillierende Element
3 als Trägheitsbeschleunigung die Coriolis-Beschleunigung. Die Coriolis-Beschleunigung
a →c ist gegeben durch
wobei ν → die Geschwindigkeit des mechanischen Elements und Ω → die Winkelgeschwindigkeit der Rotation bezeichnet. Die Geschwindigkeit ν → besitzt aufgrund der lateralen ersten Schwingung näherungsweise nur eine y-Komponente, während die Winkelgeschwindigkeit Ω → in Richtung der Drehachse, also in x-Richtung weist. Die Coriolis-Beschleunigung
a →c , wirkt in senkrechter Richtung zu der Geschwindigkeit ν → und der Winkelgeschwindigkeit Ω → und somit in z-Richtung.
-
Durch die Coriolis-Beschleunigung wird also eine vertikale Schwingung in z-Richtung, d. h. eine Schwingung der zweiten Schwingungsmode 11 angeregt.
-
Insgesamt bewirkt eine Rotation des Drehratensensors mittels der Coriolis-Beschleunigung eine Kopplung der Schwingungen der ersten und zweiten Schwingungsmode 10 bzw. 11, die zu einer Anregung einer Schwingung der zweiten Schwingungsmode 11 führt.
-
Die Amplitude der so angeregten Schwingung der zweiten Schwingungsmode ist ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit Ω → der Rotation. Diese Amplitude wird bei der Erfindung kapazitiv gemessen. Das oszillierende Element 3 des mechanischen Oszillators 2 bildet dabei mit der Meßelektrode 6 einen Meßkondensator, dessen Kapazität von der Auslenkung des oszillierenden Elements 3 aus der Ruhelage abhängt. Durch zeitabhängige Messung dieser Kapazität kann also zunächst die Amplitude der angeregten Schwingung der zweiten Schwingungsmode und hieraus dann die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt werden.
-
Das Meßsignal wird über eine nur wenige Mikrometer lange Signalleitungen in Form einer Mikrostruktur von der Meßelektrode 6 zur integrierten Schaltung 5 übertragen. Vorteilhafterweise erfordert die Erfindung keine gesonderten Signalleitungen zwischen Meßelektrode 6 und der integrierten Schaltung für die Signalverarbeitung, etwa zwischen getrennten und nebeneinander angeordneten Halbleiterchips, so daß insbesondere parasitäre Kapazitäten, die das Meßsignal verfälschen oder abschwächen könnten, gering gehalten werden. Im Gegensatz zu einem monolithisch integrierten Drehratensensor können die mikromechanische Komponente, also der erste Halbleiterkörper 1, und die integrierte Schaltung 5 für die Signalverarbeitung, also der zweite Halbleiterkörper 4, unabhängig voneinander gefertigt werden, so daß sich vorteilhafterweise die Fertigungsprozesse hierfür nicht gegenseitig negativ beeinflussen können.
-
Als Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterkörper 1 bzw. 4 ist bevorzugt eine eutektische Verbindung 12 vorgesehen. Eine solche eutektische Verbindung 12 ist einerseits vakuumdicht und ermöglicht somit die Lagerung des mechanischen Oszillators in einer geeigneten Vakuumumgebung. Eine gesonderte Vakuumverpackung ist daher nicht erforderlich. Andererseits kann bei einer eutektischen Verbindung 12 der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterkörper 1 bzw. 4 mit hoher Genauigkeit eingestellt werden. Dies ist bei der Erfindung besonders vorteilhaft, da dieser Abstand die Kapazität des Meßkondensators maßgeblich bestimmt.
-
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der hier gezeigte Drehratensensor entspricht weitgehend dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, daß der mechanische Oszillator 2 als Doppelpendel mit zwei getrennten Biegebalken ausgebildet ist. Entsprechend umfaßt die integrierte Schaltung des zweiten Halbleiterkörpers zwei voneinander getrennte Meßelektroden 5a, 6b.
-
Dieses massebalancierte System zweier Pendel wird so angetrieben, daß die Pendel gegenphasige laterale Schwingungen einer ersten Schwingungsmode 10 ausführen.
-
Eine Rotation des Drehratensensors führt wie bereits beschrieben zu einer Kopplung mit Schwingungen der zweiten vertikalen Schwingungsmode 11, wobei auch diese wiederum gegenphasig sind. Vorteilhafterweise können Störungen, beispielsweise von außen übertragene Vibrationen, bei der Signalverarbeitung erkannt und eleminiert werden, da solche Störungen in der Regel keine gegenphasigen Schwingungen des Doppelpendels bewirken. Zudem wird durch die Ausbildung zweier Pendel das gesamte Meßsignal verdoppelt. Aufgrund der Formgebung des Doppelpendels wird eine solche Ausführungsform auch als Stimmgabel-Gyroskop bezeichnet.
-
In 3 ist in einer Schnittansicht ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Schnittebene ist dabei parallel zur Verbindungsebene von erstem und zweitem Halbleiterkörper. 4 zeigt eine zugehörige Schnittansicht längs der Linie A-A.
-
Der prinzipielle Aufbau des in den 3 und 4 dargestellten Drehratensensors entspricht dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Insbesondere umfaßt der erste Halbleiterkörper 1 wiederum eine Substratschicht 7, eine Oxyd-Opferschicht 8 und eine Siliziumschicht 9, wobei aus letzterer der mechanische Oszillator 2 mit dem oszillierenden Element geformt ist.
-
Weiterhin weist hier der erste Halbleiterkörper 1 als Antriebsmittel für den mechanischen Oszillator 2 kammartige Elektroden 13 auf. In die Zwischenräume der kammartigen Elektroden 13 greifen fingerartige laterale Fortsätze des Pendels ein. Im Betrieb wird durch eine entsprechende Ansteuerung zwischen den Elektroden ein oszillierendes elektisches Feld mit einem Feldgradienten erzeugt, aus dem eine entsprechende Kraft auf das Pendel resultiert, so daß damit eine Schwingung der ersten Schwingungsmode 10 angeregt wird.
-
Durch die kammartige Anordnung der Elektroden 13 wird eine durch den variierenden Abstand zwischen Elektrode und Pendel bedingte Nichtlinearität dieses Antriebs weitgehend kompensiert. Derartige Antriebe sind auch unter der Bezeichnung ”comb drive” bekannt und werden daher nicht weiter erläutert.
-
Zur Ansteuerung der Elektroden sind Kontaktdurchführungen 14 vorgesehen, die die Elektroden mit der integrierten Schaltung 5 des zweiten Halbleiterkörpers verbinden. Die integrierte Schaltung 5 dient hierbei also zugleich der Ansteuerung der Antriebsmittel für den mechanischen Oszillator 2.
-
Vorteilhafterweise können auch Referenzelektroden zur Messung der angeregten Schwingung der ersten Schwingungsmode vorgesehen sein (nicht dargestellt), mit denen ein Regelkreis zur Ansteuerung des mechanischen Oszillators 2 gebildet werden kann.
-
Weiterhin sind in dem Pendel mehrere Öffnungen 15 vorgesehen, die bei der Herstellung eine Abtragung der Opferschicht 8 zwischen der Substratschicht 7 und der Siliziumschicht 9 unter dem Pendel erleichtern.
-
Die Erläuterung der Erfindung anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist nicht als Beschränkung der Erfindung hierauf zu verstehen. Vielmehr umfaßt die Erfindung auch sämtliche Kombinationen der in dem Ausführungsbeispiel und der sonstigen Beschreibung genannten Merkmale, auch wenn diese Kombinationen nicht Gegenstand des Patentanspruchs sind.
