DE19503623B4

DE19503623B4 - Drehratensensor

Info

Publication number: DE19503623B4
Application number: DE1995103623
Authority: DE
Inventors: Erich Dr.-Ing. Dr. Zabler; Gerhard Dr. Benz; Juergen Dr. Schirmer; Franz Dr. Laermer; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2015-02-04
Also published as: GB2297618B; DE19503623A1; GB9601992D0; GB2297618A

Abstract

Drehratensensor mit wenigstens einer Schwingstruktur (1), auf der ein auslenkbarer Beschleunigungsaufnehmer (2, 3) aufgebracht ist,
– wobei der Drehratensensor aus einem SOI-Wafer (Silizium auf Isolator-Wafer) herausstrukturiert ist, bei dem eine untere Siliziumschicht (14) mit einer Siliziumoxidschicht (8) mit einer einkristallinen oberen Siliziumschicht (25) verbunden ist,
– wobei die Schwingstruktur (1) im Wesentlichen aus der unteren Siliziumschicht (14) herausstrukturiert ist, und
– wobei der auslenkbare Beschleunigungsaufnehmer (2, 3) zur Aufnahme von Coriolisbeschleunigungen aus der oberen einkristallinen Siliziumschicht (25) herausstrukturiert ist,
– wobei die Schwingstruktur (1) wenigstens zwei Schwingmassen umfasst, die in einem Betriebszustand gegenphasig schwingen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Es ist aus der Offenlegungsschrift DE 40 32 559 A1 bereits ein Drehratensensor bekannt, der eine schwingende Trägerstruktur aufweist, auf der ein auslenkbarer Beschleunigungsaufnehmer angeordnet ist. Die Trägerstruktur wird durch Naßätzverfahren in heißer Kalilauge waferdick hergestellt und ist dadurch engen Randbedingungen hinsichtlich der Geometrie unterworfen. Der Beschleunigungsaufnehmer wird aus abgeschiedenem Polysilizium oder abgeschiedenem monokristallinem Silizium aufgebaut.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0618 450 A1 ist ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem auf einem SOI-Substrat in einer Siliziumschicht ein Masseteil an Federn als mikromechanische Komponenten ausgebildet sind und bei dem Mittel, wie z.B. Piezowiderstände, vorhanden sind, um einer Auslenkung des Masseteiles in Folge einer Beschleunigung des Substrates detektieren und in einer elektronischen Schaltung auswerten zu können.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 22 495 A1 ist ein Drehratensensor mit einem Sensorelement bekannt, das aus einem monokristallinen Siliziumwafer herausstrukturiert ist und mindestens einen Schwinger, vorzugsweise mindestens ein Paar von Schwingern aufweist, die über einen oder mehrere Stege mit einem festen Rahmen verbunden sind. Die Schwinger sind in 2 aufeinander senkrecht stehenden Richtungen schwingungsfähig. Das Sensorelement ist mit Mitteln zur Anregung der Schwinger in einer ersten Schwingungsrichtung und mit kapazitiven Mitteln zur Erfassung von Auslenkungen der Schwinger in der zweiten Schwingungsrichtung, die senkrecht auf der ersten Schwingungsrichtung steht, ausgestattet.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Drehratensensor aus einem Silicon-on-insulator-Wafer herausstrukturiert ist. Aus der oberen SOI-Schicht wird der auslenkbare kapazitive Beschleunigungssensor hergestellt. Da die SOI-Schicht besonders spannungsarm, sehr gut hinsichtlich sensormechanischer Eigenschaften definiert und frei von Spannungsgradienten ist, wird ein sehr genauer Beschleunigungssensor mit hoher Nachweisempfindlichkeit erreicht. Zudem ist die elektrische Isolation der SOI-Schichtstrukturelemente gegeneinander und zum Substrat sehr gut.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Drehratensensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Auswerteelektronik der Meßsignale im Beschleunigungssensor zu integrieren. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform des Drehratensensors erreicht.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 einen Drehratensensor, 2 einen Schnitt durch einen Beschleunigungsaufnehmer, 3 eine erste Struktur eines Beschleunigungsaufnehmers, 4 eine zweite Struktur eines Beschleunigungsaufnehmers und
5 Verfahrensschritte zur Herstellung einer Silicon-on-insulator-Schicht.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt schematisch eine Drehratensensorstruktur 18, die aus Silizium herausstrukturiert ist und die einen umlaufenden Rahmen 19 aufweist, wobei im Rahmen 19 zwei als Schwingmassen auslenkbare Schwingstrukturen 1 angeordnet sind. Die Schwingstrukturen 1 sind über Biegebalken 6 untereinander und mit dem Rahmen 19 verbunden. Die Schwingstrukturen 1 stellen Schwingmassen in Form von Platten dar, wobei die Platten parallel nebeneinander angeordnet sind. Die Aufhängungen der Schwingstrukturen 1 sind so ausgebildet, daß die Schwingstrukturen 1 exakt gegenphasig in Schwingungen versetzbar sind. Auf den Schwingstrukturen 1 ist jeweils ein Beschleunigungaufnehmer 2, 3 auslenkbar angeordnet. In 1 sind die Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 nur schematisch eingezeichnet. Auf dem Rahmen 19 sind eine Steuer- und Auswerteeinheit 7 angeordnet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 7 ist über eine Meßsignalleitung 20 mit den Beschleunigungsaufnehmern 2, 3 verbunden. Zudem führt von der Steuer- und Auswerteeinheit 7 eine Antriebsleitung 21 zu den Schwingstrukturen 1. Der Rahmen 19 befindet sich in einem Magnetfeld, das von zwei Dauermagneten 4 erzeugt wird.
Die Schwingstrukturen 1 werden durch ein Plasmaätzverfahren aus dem Bulksubstrat eines SOI-Wafers bzw. aus einer zuvor naßchemisch gedünnten Schicht des Bulksubstrats des SOI-Wafers hergestellt. Dieses Verfahren ist in der Patentschrift DE 42 41 045 51 detailliert beschrieben und erlaubt die Herstellung sehr tiefer Silizium-Strukturen mit frei wählbaren Geometrien. Die Schwingstrukturen 1 werden somit frei von prozeßtechnischen oder kristallographischen Randbedingungen so hergestellt, wie es für ein möglichst optimales gegenphasiges Schwingverhalten erforderlich ist.
Der Drehratensensor nach 1 funktioniert wie folgt: Steuer- und Auswerteeinheit 7 erzeugt durch die von der Antriebsleitung 21 gebildete Stromschleife über die im Magnetfeld wirkende Lorenzkraft eine Schwingung der Schwingstrukturen 1 in der Ebene des Rahmens 19, wie in der 1 schematisch durch einen Pfeil mit dem Buchstaben V dargestellt ist. Die Ansteuerung der Antriebsleitung 21 erfolgt so, daß die zwei Schwingstrukturen 1 exakt gegenphasig schwingen. Wird nun der Rahmen 19 zusammen mit dem Magnetfeld um eine Drehachse gedreht, die senkrecht zur Schwingungsrichtung der Schwingstrukturen 1 und senkrecht zur Sensormeßrichtung der Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 ausgerichtet ist, so wirken Corioliskräfte auf den ersten und zweiten Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 in Sensormeßrichtung. Die Corioliskraft berechnet sich nach folgender Formel: a_c = 2V × ω, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit um die Drehachse und V die Momentangeschwindigkeit der gegenphasig schwingenden Schwingstrukturen 1 darstellt.
Die Corioliskräfte sind schematisch in 1 in Form von Pfeilen dargestellt und mit dem Buchstaben ac bezeichnet. Die Funktionsweise von Drehratensensoren ist hinreichend bekannt und z.B. in der Druckschrift DE 40 32 559 A1 beschrieben.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine Schwingstruktur 1 und einen Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 der senkrecht zur Oberfläche der Schwingstruktur 1 auslenkbar ist. Auf der Schwingstruktur 1, die aus Silizium besteht, ist eine erste Siliziumoxidschicht 8 aufgebracht, wobei in die erste Siliziumoxidschicht 8 eine Ausnehmung 22 eingebracht ist. Auf der ersten Siliziumoxidschicht 8 ist eine erste Silicon-on-insulator-Schicht (SOI) 10 aufgebracht. Auf der ersten SOI-Schicht 10 ist eine zweite Siliziumoxidschicht 12 aufgebracht, in der eine zweite Ausnehmung 23 eingebracht ist. Die erste und zweite Ausnehmung 22, 23 sind übereinander angeordnet. Auf der zweiten Siliziumoxidschicht 12 ist z.B. eine zweite SOI-Schicht 13 aufgebracht. Die erste und die zweite SOI-Schicht 10, 12 sind mit einer Siliziumnitridschicht 11 als zusätzliche Passivierung abgedeckt. Die Siliziumnitridschicht ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Unter der Ausnehmung 22 ist in die Schwingstruktur 1 eine hoch dotierte Siliziumzone 9 eingebracht. Die hoch dotierte Siliziumzone 9, die erste SOI-Schicht 10 und die zweite SOI-Schicht 13 bilden einen Kondensator. Die erste SOI-Schicht 10 ist so strukturiert, daß bei Einwirken einer Corioliskraft eine Auslenkung in Richtung auf die zweite SOI-Schicht 13 oder in Richtung auf die hoch dotierte Siliziumzone 9 erfolgt. Einfache Drehratensensoren weisen einen Kondensatoraufbau auf, der nur aus der hoch dotierten Siliziumzone 9 und der strukturierten ersten SOI-Schicht 10 besteht. Die zweite SOI-Schicht 13 erhöht die Genauigkeit der Messung, ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
3 zeigt schematisch eine erste SOI-Schicht 10, die als Platte ausgebildet ist und über vier Stege 26 mit der ersten Siliziumoxidschicht 8 verbunden ist. Die vier Stege 26 sind an den vier Ecken der plattenförmigen ersten SOI-Schicht 10 angebracht, wobei jeweils zwei Stege parallel zueinander und im rechten Winkel zur Außenkante der plattenförmigen ersten SOI-Schicht 10 angeordnet sind. Die SOI-Schicht 10 dient als Schwingmasse.
Die erste und zweite Ausnehmung 22, 23 werden entweder vor dem Aufbringen der ersten bzw. zweiten SOI-Schicht 10, 13 mittels Ätzverfahren eingebracht, oder nach Aufbringen der ersten bzw. zweiten SOI-Schicht 10, 13 durch Unterätzen der strukturierten SOI-Schichten 10, 13 hergestellt. Das Unterätzen der SOI-Schichten 10, 13 wird dadurch beschleunigt, daß in die SOI-Schichten 10, 13 Löcher geätzt werden und über diese Löcher die erste und die zweite Ausnehmung 22, 23 geätzt werden.
4 zeigt eine weitere Struktur der ersten SOI-Schicht 10, die als Platte ausgebildet ist und über vier Stege 26 mit der ersten Siliziumoxidschicht 8 verbunden ist. Die Anordnung der Stege 26 ist in 4 so gewählt, daß jeder Steg entlang einer Außenkante geführt ist und an einem Eckpunkt der quadratischen, ersten SOI-Schicht 10 befestigt ist. Auf diese Weise wird bei vorgegebenen Abmessungen 23 erreicht, daß die Stege 26 möglichst lang ausgebildet werden können.
Die erste SOI-Schicht 10 kann auch in Form von aufgehängten Kammstrukturen ausgebildet sein, so daß eine Auslenkung der ersten SOI-Schicht 10 lateral in der Ebene, d.h. parallel zur Oberfläche der Schwingstruktur 1 möglich ist.
Die erste SOI-Schicht 10 der 3 und der 4 weist durchgehend Löcher auf. Die durchgehenden Löcher werden in die erste SOI-Schicht 10 eingebracht, um das Unterätzen der ersten Ausnehmung 22 der ersten Siliziumoxidschicht 8 zu beschleunigen. Entsprechend wird auch bei der zweiten SOI-Schicht 13 und der zweiten Ausnehmung 23 verfahren. Da das Ätzmedium durch die Löcher gleichmäßig auf die erste Siliziumoxidschicht 8 zugreifen kann, wird der Ätzvorgang beim Ätzen der ersten Ausnehmung 22 beschleunigt.
5 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Waferaufbaus für einen Drehratensensor. In 5.1 ist ein Siliziumwafer 14 dargestellt, auf dessen Oberseite die erste Siliziumoxidschicht 8 und auf dessen Unterseite eine dritte Siliziumoxidschicht 15 aufgebracht ist. Die erste und dritte Siliziumoxidschicht 8, 15 werden beispielsweise mittels thermischer Oxidation aufgebracht. Auf den Siliziumwafer 14 wird ein Epiwafer 24 in der Weise gebondet, daß die Epischicht des Epiwafers 24 auf der ersten Siliziumoxidschicht 8 aufliegt. Der Epiwafer 24 besteht aus einer Epischicht 25, die die gewünschte Dotierung aufweist und auf einer hoch dotierten p+-Siliziumschicht aufgebracht ist, die wiederum auf einem Siliziumbulksubstrat 17 aufgewachsen ist, wie in 5.2 dargestellt.
Anschließend wird die Bulk-Siliziumschicht 17 selektiv bis zur hoch dotierten p+-Ätzstoppschicht zurückgeätzt. Dies ist in 5.3 dargestellt. Hierfür wird vorteilhaft ein Gemisch aus 5% NH₃ in H₂O mit einem Promille H₂O₂ verwendet, das eine besonders hohe Selektivität gegenüber p+-dotiertem Silizium aufweist. Anschließend wird die hoch dotierte Siliziumschicht ebenfalls selektiv mit einer Mischung aus HF/HNO₃ und CH₃COOH entfernt. Auf diese Weise wird eine erste SOI-Schicht 10 erhalten, die durch die Epischicht 25 der 5.4 dargestellt ist.
Dieses Verfahren führt zu sehr genau definierten Dicken der SOI-Schicht, die in diesem Fall durch die Epischicht 25 dargestellt wird. Dies ist besonders bei einer niedrigen Schichtdicke zwischen 2 bis 5 μm vorteilhaft. Der höhere Herstellungsaufwand verglichen mit Schleifen und Polieren wird dadurch gerechtfertigt, daß eine sehr geringe Dickentoleranz der dünnen SOI-Schicht erreicht wird, die besonders bei Out-of-Plane-Beschleunigungssensoren erforderlich ist.
Bei dickeren SOI-Schichten, die größer als 5 μm sind, genügt ein einfacheres Verfahren, bei dem ein Siliziumwafer, der bereits selbst die gewünschte Dotierung aufweist, gegen einen oxidierten Siliziumwafer gebondet wird und anschließend mechanisch auf eine vorgegebene Dicke rückgeschliffen und poliert wird. Mit diesem einfachen Verfahren werden SOI-Schichten erzeugt, die eine Dickentoleranz von +/– 0,5 μm aufweisen. SOI-Schichten mit einer Dicke größer als 5 μm und einer Dickentoleranz von +/– 0,5 μm werden vorteilhaft bei lateral empfindlichen kapazitiven Beschleunigungssensoren verwendet.
Aus dem in 5.4 dargestellten Silizium-Isolator-Silizium-Aufbau wird mittels fotolithographischer Verfahren und einem Plasmaätzverfahren, wie bei der Patentschrift DE 42 41 045 51 beschrieben, eine Schwingstruktur 1 mit einem darauf befindlichen Beschleunigungsaufnehmer 2 herausstrukturiert. Der Beschleunigungsaufnehmer 2 besteht dabei aus der Epischicht 25 und die Schwingstruktur 1 wird aus dem Bulk-Siliziumwafer 14 herausstrukturiert. Die Strukturierung der Schwingstrukturen 1 und der Biegebalken 6 er folgt durch das angegebene Siliziumtieftrenchverfahren.
In einfachen Fällen kann anstelle der zwei Schwingstrukturen 1 auch eine Schwingstruktur verwendet werden. Jedoch ermöglicht die Verwendung der zwei Schwingstrukturen 1, die gegenphasig in Schwingung versetzt sind, eine gegenphasige Messung der Corioliskraft. Durch eine elektrische Signaldifferenzbildung werden einwirkende Storkräfte, die im Bereich der Erdbeschleunigung g liegen, herausgefiltert, was angesichts von Coriolisbeschleunigungswerten, die im Bereich von 1 bis 10 mg liegen, die Meßgenauigkeit erheblich verbessert.
Die hoch dotierte Silziumschicht 16 ist positiv dotiert. Die Epischicht 25 ist positiv oder negativ in der gewünschten Dotierstoffkonzentration dotiert. Zudem ist es möglich, wenn auf eine Integration verzichtet werden soll, die Epischicht 25 in der gleichen Dotierkonzentration zu wählen, wie die Epischicht 16. Dann entfällt der HNA (CH₃COOHG, HF, HNO₃)-Ätzschritt.
Anstelle des in 5 dargestellten Verfahrens ist es auch möglich, bei zwei über eine Siliziumoxidschicht verbundenen Siliziumwafern einen Siliziumwafer mittels Schleifstopptechniken auf eine vorgegebene Dicke abzuschleifen und auf diese Weise die erste SOI-Schicht 10 herzustellen.
Die Auswerteelektronik kann direkt in der ersten SOI-Schicht 10 integriert werden, wodurch eine hohe Bauteildichte mit geringen Leckströmen und hoher Grenzfrequenz erhalten wird, die zudem für höhere Temperaturen geeignet ist. Anstelle der dargestellten kapazitiven Messung der Corioliskraft können selbstverständlich auch andere Nachweismethoden wie z.B. die piezoelektrische oder piezoresistive Messung verwendet werden. Durch die Verwendung von SOI-Wafern ist es möglich, Sensorstrukturen zu erhalten, die bis zu Dimensionen von Quadratmillimetern absolut planar ausgebildet und verwölbungsfrei sind.

Claims

Drehratensensor mit wenigstens einer Schwingstruktur (1), auf der ein auslenkbarer Beschleunigungsaufnehmer (2, 3) aufgebracht ist, – wobei der Drehratensensor aus einem SOI-Wafer (Silizium auf Isolator-Wafer) herausstrukturiert ist, bei dem eine untere Siliziumschicht (14) mit einer Siliziumoxidschicht (8) mit einer einkristallinen oberen Siliziumschicht (25) verbunden ist, – wobei die Schwingstruktur (1) im Wesentlichen aus der unteren Siliziumschicht (14) herausstrukturiert ist, und – wobei der auslenkbare Beschleunigungsaufnehmer (2, 3) zur Aufnahme von Coriolisbeschleunigungen aus der oberen einkristallinen Siliziumschicht (25) herausstrukturiert ist, – wobei die Schwingstruktur (1) wenigstens zwei Schwingmassen umfasst, die in einem Betriebszustand gegenphasig schwingen.
Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingstruktur (1) im Wesentlichen aus dem Bulk-Silizium des SOI-Wafers herausstrukturiert ist.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der den Beschleunigungsaufnehmer (2, 3) erzeugenden SOI-Schicht eine Auswerteelektronik (7) integriert ist.
Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schwingmassen der Schwingstruktur (1) mittels einer Koppelstruktur, insbesondere durch Biegebalken (6), miteinander verbunden sind.
Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler als kapazitiver Messwertaufnehmer, insbesondere mit einer kondensatorartigen Struktur (9, 10, 13), ausgestaltet ist.
Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Betriebszustand die Coriolisbeschleunigungen der zwei Schwingmassen gegenphasig gemessen werden.
Drehratensensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor eine Auswerteelektronik aufweist, welche derart ausgestaltet ist, dass durch Differenzbildung der Signale der Beschleunigungsaufnehmer (2, 3) Störsignale herausgefiltert werden.