DE19617666B4

DE19617666B4 - Mikromechanischer Drehratensensor

Info

Publication number: DE19617666B4
Application number: DE19617666A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Lutz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1996-05-03
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2016-05-04
Also published as: US5889207A; JPH1047972A; DE19617666A1

Abstract

Mikromechanischer Drehratensensor mit einem Ring (3), der durch Mittel zur Schwingungsanregung (10) in Schwingungen mit Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten angeregt wird,
– wobei die Mittel zur Schwingungsanregung (10) an den Schwingungsbäuchen angeordnet sind.
– wobei in den Schwingungsknoten Nachweiselemente (20) angeordnet sind, durch die eine durch Drehung verursachte Verschiebungen der Schwingungsknoten nachweisbar ist,
– wobei der Ring (3), die Mittel zur Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) als Oberflächenmikromechanische Elemente auf einem Substrat ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Drehratensensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der EP 461 761 ist bereits ein mikromechanischer Drehratensensor bekannt, der eine Ringstruktur, die zu Schwingungen angeregt werden kann, aufweist. Durch eine Drehung des Rings um seine Zentralachse werden die Schwingungsknoten verschoben. In den Schwingungsknoten sind Nachweiselemente angeordnet, die diese Verschiebung nachweisen. Die Ringstruktur ist aus einem plattenförmigen Element herausstrukturiert, wobei der oszillierende Teil durch Federelemente mit dem Rest der Plattenstruktur verbunden ist. Die Plattenstruktur kann dann zwischen weiteren Platten angeordnet werden, um Mittel für die Anregung der Schwingungen oder Mittel zum Nachweis der Verschiebung der Schwingungsknoten auszubilden. Die EP 0 623 807 A1 offenbart eine Mikrostruktur für ein Schwingungsgyroskop mit einem in Bäuchen und Knoten schwingenden Ring und einer Vielzahl von Elektroden zur Erfassung und zum Antrieb. Die EP 0 623 807 A1 zeigt dazu eine geeignete Auswerteschaltung. Die Elektroden zur Erfassung sind in den Schwingungsknoten und an den Schwingungsbäuchen angeordnet. Die Elektroden zum Antrieb sind in Bereichen dazwischen angeordnet. Die nachveröffentlichte DE 696 09 434 T2 offenbart eine Kompensationsvorrichtung für mikromechanische Sensoren mit einem in Bäuchen und Knoten schwingenden Ring und einer Vielzahl von Elektroden zur Erfassung und zum Antrieb. Die Elektroden zur Erfassung sind in den Schwingungsknoten und an den Schwingungsbäuchen angeordnet. Die Elektroden zum Antrieb sind in Bereichen dazwischen angeordnet. Die Vorrichtung kompensiert Störungen der Eigenfrequenzen des Ringes.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß der Ring, die Mittel zur Anregung und die Nachweiselemente zusammen in einem Herstellungsverfahren gefertigt werden. Durch diese gleichzeitige Herstellung werden die Herstellungskosten verringert. Weiterhin werden so die relativen Abmessungen zwischen den einzelnen Elementen durch ein und dasselbe Herstellungsverfahren festgelegt, wodurch sich genauere Toleranzen erzielen lassen. Weiterhin lassen sich die erfindungsgemäßen Sensoren in großen Stückzahlen durch parallele Herstellungsprozesse fertigen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Sensors nach dem unabhängigen Patentanspruch möglich. Die Anregung der Schwingungen beziehungsweise der Nachweis der Verschiebung der Schwingungsknoten erfolgt zweckmäßigerweise durch kapazitive Elemente. Dazu werden an dem Ring bewegliche Elektroden und auf dem Substrat feststehende Elektroden vorgesehen. Die feststehenden Elektroden werden jeweils mit Lagerblöcken mit dem Substrat verbunden. Durch Isolationsschichten können die Lagerblöcke vollständig dielektrisch gegen das Substrat isoliert werden. Weiterhin kann eine derart verwendete Isolationsschicht auch als Opferschicht für die Ringstruktur, Schwingfedern und bewegliche Elektroden verwendet werden. Durch die Verwendung von monokristallinem Siliciummaterial lassen sich Drehratensensoren schaffen, die keinerlei mechanischen Alterungsprozessen unterworfen sind. Polysiliciumelemente lassen sich besonders einfach fertigen.

Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine schematische Ansicht einer schwingenden Ringstruktur, 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Drehratensensor, 3 ein Detail eines weiteren Ausführungsbeispiels, die
4 bis 6 ein erstes Herstellungsverfahren und die 7 ein zweites Herstellungsverfahren für die Sensoren.
Beschreibung
In der 1 wird schematisch ein oszillierender Ring gezeigt, der im ersten Schwingungsmode schwingt. Dabei wird der zunächst kreisrunde Ring derart verformt, daß sich zwei gegenüberliegende Seiten voneinander verformen und die gegenüberliegenden Seiten, die zu den ersten Seiten um 90° versetzt angeordnet sind, einander näherkommen. Die Verformung der zweiten Halbphase der Schwingung entspricht der ersten Halbphase, wobei dabei jedoch die Verformung um 90° verdreht auftritt. In der 1 werden die beiden maximalen Verformungszustände der beiden Halbphasen dargestellt. Wie zu erkennen ist, weist die Ringstruktur vier Schwingungsbäuche 1 und vier Schwingungsknoten auf. An den Schwingungsbäuchen treten jeweils die maxiamalen Auslenkungen der Ringstruktur auf, während die Ringstruktur in den Schwingungsknoten wenig ausgelenkt wird. wenn eine derartig schwingende Ringstruktur um die Zentralachse gedreht wird, so treten aufgrund der dadurch verursachten Coriolis-Beschleunigung zusätzliche Kräfte auf, die die Lage der Schwingungsknoten verschieben. Es kommt daher an diesen Stellen auch zu Auslenkungen, die ein Maß für die Drehung sind. Dieser Effekt wird vom erfindungsgemäßen Drehratensensor genutzt.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine konkrete Ausführung eines Sensors. Auf einem Substrat 4 ist ein frei beweglicher Ring 3 erzeugt, der durch Schwingfedern 5 an einem Zentrallagerblock 6 aufgehängt ist. Der Zentrallagerblock 6 ist fest auf dem Substrat 4 verankert, während hingegen die Schwingfedern 5 und der Ring 3 einen Abstand zum Substrat 4 aufweisen und frei beweglich sind.
Um den Ring herum, jeweils um 90° versetzt, sind vier Antriebe 10 angeordnet. Weiterhin sind vier Nachweiselemente 20 vorgesehen, die jeweils vom Mittelpunkt des Rings 3 aus gesehen untereinander einen Winkel von 90° aufweisen. Ausgehend vom Mittelpunkt sind die Antriebe 10 jeweils um 45° versetzt zu den Nachweiselementen 20 angeordnet. In der 2 werden auch zwei rechtwinklige Koordinatensysteme XY und AB gezeigt, die jeweils den Antrieben 10 und den Nachweiselementen 20 zugeordnet werden können. Vom Mittelpunkt des Rings 6 aus gesehen liegen die Antriebe in positiver und negativer X- und Y-Richtung und die Nachweiselemente in positiver und negativer A- und B-Richtung. Jeder Antrieb 10 weist feststehende Elektroden 11 und bewegliche Elektroden 12 auf. Die feststehenden Elektroden 11 sind durch Lagerblöcke 13 mit dem Substrat 4 verankert. Die beweglichen Elektroden 12 sind am Ring 3 befestigt. Jedes Nachweiselement 20 weist feststehende Elektroden 21 und bewegliche Elektroden 22 auf. Die feststehenden Elektroden 21 sind an Lagerblöcken 23 mit dem Substrat 4 verbunden. Die beweglichen Elektroden 22 sind mit dem Ring 3 verbunden. Die beweglichen Elektroden 12, 22 von Antrieb 10 und Nachweiselement 20 können jeweils zusammen mit dem Ring 3 bewegt werden. Die feststehenden Elektroden 11, 21 sind durch die Lagerblöcke 13, 23 jeweils fest mit dem Substrat verbunden und somit starr.
Die Vorrichtung nach der 2 wird durch Anlegen von elektrischen Spannungen an den Antrieben 10 in Schwingungen versetzt. Dazu werden immer wechselseitig einander gegenüberliegende Antriebe 10 mit einer Spannung beaufschlagt, durch die die beweglichen Elektroden 12 in die feststehenden Elektroden 11 hereingezogen werden. Dabei werden immer die gegenüberliegenden Antriebe 10 gleichzeitig angesteuert, beispielsweise zunächst die Antriebe in positiver und negativer Y-Richtung und in der nächsten Halbschwingung die Antriebe in positiver und negativer X-Richtung. Wenn diese Anregeung in der Eigenschwingung des Ringes 10 für die erste Grundschwingung, die in der 1 erläutert wurde, erfolgt, so wird die erste Eigenschwingung des Rings 3 angeregt. Bei dieser Schwingung sind die beweglichen Elektroden 22 der Nachweiselemente 20 jeweils in Schwingungsknoten mit dem Ring 3 verbunden, so daß keine merklichen Auslenkungen der beweglichen Elektroden 22 der Nachweiselemente 20 erfolgen. Wenn jedoch eine Drehung des Sensors um eine Achse erfolgt, die senkrecht zum Substrat 4 ist, so werden die Schwingungsknoten des Rings 3 verschoben und die beweglichen Elektroden 22 der Nachweiselemente 20 werden relativ zu den feststehenden Elektroden 21 verschoben. Dieses Verschieben kann durch eine Kapazitätsmessung zwischen den beweglichen Elektroden 22 und den feststehenden Elektroden 21 nachgewiesen werden und ist ein Maß für die Drehung des Substrats 4.
Es sind natürlich beliebige andere Anordnungen von Antrieb 10 und Nachweiselement 20 denkbar. In der 3 wird ein weiteres Beispiel für ein Nachweiselement 20 gezeigt, bei dem jedoch die feststehenden Elektroden 21, die beweglichen Elektroden 22 und die Lagerblöcke 23 auf der Innenseite des Rings 3 angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann der Platzbedarf für den Sensor verringert werden. Ebenso können auch Antriebselemente 10 auf der Innenseite des Rings 3 angeordnet werden oder die Schwingbalken 5 können beispielsweise außerhalb des Rings 3 angeordnet werden.
In den 4, 5 und 6 wird ein erstes Herstellungsverfahren für die Sensoren erläutert. Das Verfahren geht aus von einem sogenannten SOI-Aufbau (Silicon on Insulator), bei dem auf einem Siliciumsubstrat 31 eine Isolationsschicht 32 und darauf eine Siliciumschicht 33 aufgebracht ist. Das Siliciumsubstrat 31 hat in der Regel eine Dicke von einigen hundert Mikrometern, die Isolationsschicht eine Dicke von einigen Mikrometern und die Siliciumschicht 33 eine Dicke von einigen Mikrometern bis einigen zehn Mikrometern. Typische Abmessungen wären 500 Mikrometer für das Siliciumsubstrat, 2 Mikrometer für die Isolationsschicht 32 und 15 Mikrometer für die Siliciumschicht 33. Ein derartiger Aufbau kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Durch Verbinden zweier Siliciumwafer mittels einer dazwischenliegenden Isolationsschicht und Abdünnen eines des Siliciumwafers kann ein Aufbau wie er in der 4 gezeigt wird, geschaffen werden. Dabei besteht dann die Siliciumschicht 33 aus einkristallinem Silicium. Dieses Material ist im besonderen Maße für die Herstellung von mechanischen Strukturen geeignet, die auf Biegung belastet werden, da bei einkristallinen Materialien keine durch Biegung verursachten Alterungsprozesse des Materials auftreten. Eine weitere Möglichkeit, den Aufbau nach der 4 herzustellen, besteht darin, auf einem Siliciumwafer zunächst eine Isolationsschicht und dann auf der Isolationsschicht eine Polysiliciumschicht abzuscheiden. Wenn die Polysiliciumschicht in Apparaturen abgeschieden wird, die normalerweise für Epitaxieschichten verwendet werden, so lassen sich dabei auch große Schichtdicken in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometern realisieren. Die Isolationsschicht 32 besteht bevorzugt aus Siliciumoxid (SiO2), Siliciumnitrit (Si3N4) oder einer Mischung beider Materialien. Es ist auch möglich, die Isolationsschicht 32 nicht auf der gesamten Oberfläche des Siliciumsubstrats 31 abzuscheiden, sondern in bestimmten Bereichen, insbesondere den Bereichen, in denen ein Lagerblock 13, 23, 6 mit dem Substrat verbunden werden soll, die Oberfläche des Substrats 31 nicht mit der Isolationsschicht zu bedecken. In diesem Falle sollte jedoch eine Isolation von Substrat 31 und Siliciumschicht 33, beispielsweise durch unterschiedliche Dotierstofftypen sichergestellt werden.
In einem weiteren Schritt wird dann eine Metallisierung 34 aufgebracht und strukturiert. Dies erfolgt vor allen Dingen da, wo Lagerblöcke vorgesehen sind, die dann mit Bonddrähten kontaktiert werden sollen. Danach wird eine Ätzmaskierung 35 aufgebracht, die beispielsweise aus einem Fotolack bestehen kann. Diese Ätzmaskierung 35 enthält die Strukturen für den Sensor, wie er in der 2 in der Draufsicht gezeigt wird.
Durch Ätzen wird dann die Struktur der Ätzmaske 35 in die obere Siliciumschicht 33 eingeätzt. Die Ätzung wird dabei so lange durchgeführt, bis die Isolationsschicht 32 freiliegt. In einem nachfolgenden Ätzschritt wird dann die Isolationsschicht 32 geätzt. Dieser Zustand wird in der 6 gezeigt. In der 6 wird exemplarisch ein Querschnitt durch einen Ring 3, einen zentralen Lagerblock 6, feststehenden Elektroden 21, beweglichen Elektroden 22 und einem Lagerblock 23 gezeigt. Die Abstände zwischen den einzelnen Elementen sind jedoch aus Gründen einer einfacheren Darstellung verzerrt dargestellt. wie im Querschnitt der 6 zu erkennen ist, ist der Lagerblock 6 und der Lagerblock 23 durch die Isolationsschicht 32 fest mit dem Siliciumsubstrat 31 verbunden, während hingegen unter dem Ring 3 und den Elektroden 21, 22 keinerlei Isolationsschicht 32 mehr angeordnet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die geometrischen Abmessungen des Rings 3 und der Elektroden 21, 22 vergleichsweise gering sind im Vergleich zu den Lagerblöcken 6, 23. Der isotrope Ätzprozeß der Isolationssschicht 32 wird nach einer vorgegebenen Zeit abgebrochen, so daß die Strukturen mit einer geringen lateralen Ausdehnung, wie Ring 3 und Elektroden 21, 22 komplett unterätzt werden, während die Lagerbereiche 6, 23, die eine große laterale Ausdehnung aufweisen, nur geringfügig unterätzt werden. Es kann so durch einen einfachen Herstellungsprozeß, der zudem nur wenige Maskenebenen erfordert, ein komplexer Drehratensensor hergestellt werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß die relativen Abstände aller Elemente des Sensors mit einem einzigen Maskenschritt definiert werden. Es können so besonders gut reproduzierbare Abstände erzielt werden.
In der 7 wird ein zweites Herstellungsverfahren erläutert. Dieses Verfahren geht aus von einem isolierenden Substrat 101, auf dem eine Metallschicht 102 aufgebracht wird. Danach wird auf der Metallschicht 102 eine strukturierbare Schicht 103 aufgebracht und strukturiert. Die in die Schicht 103 aufgebrachte Struktur entspricht der Aufsicht auf den Sensor wie er in der 2 gezeigt wird. Überall dort, wo Sensorelemente gelegen sind, wird die strukturierbare Schicht 103 entfernt. Die Strukturierung der Schicht 103 erfolgt dabei soweit, daß die darunterliegende Metallschicht 102 freiliegt. Durch einen galvanischen Abscheidungsprozeß, der auf der Metallschicht 102 startet, werden dann die in der strukturierbaren Schicht 103 ausgebildeten Hohlräume mit einem Metall, beispielsweise Nickel, aufgefüllt. Diese Abscheidung wird gestoppt bevor die Metallisierung über die strukturierbare Schicht 103 hinaus wächst. Die so gebildeten Metallstrukturen 104 bilden somit alle Elemente, des in der 2 gezeigten Sensors, sind aber in diesem Verfahrensschritt noch in die strukturierbare Schicht 103 eingebettet. Dieser Zustand, der einen Zwischenschritt des Herstellungsverfahrens darstellt, zeigt die 7. In einem weiteren Schritt wird dann die strukturierbare Schicht 103 vollständig entfernt. Durch einen Ätzprozeß, der die metallischen Strukturen 104 nicht angreift, jedoch die darunter liegende Metallschicht 102 ätzt, kann dann in äquivalenter Weise wie dies in den 5 und 6 beschrieben wurde, eine Unterätzung der einzelnen Metallstrukturen 104 erfolgen. Aufgrund unterschiedlich großer lateraler Abmessung und einem rechtzeitigen Stopp der Ätzung wird dabei erreicht, daß wiederum nur die Sensorstrukturen unterätzt werden, die beweglich ausgeführt sein sollen. Für das isolierende Substrat 101 können neben keramischen Materialien auch Siliziumwafer mit einer oberflächlichen Isolierschicht verwendet werden. Die Metallschicht 102 sollte so gewählt werden, daß sie selektiv gegen das Material der Metallstrukturen 104 ätzbar ist. Bei der Verwendung von Nickel für die Metallstrukturen 104 kann die Metallschicht 102 beispielsweise aus Kupfer bestehen. Alternativ ist es auch möglich, statt der Metallschicht 102 Kunststoffschichten mit dünnen oberflächlichen Metallisierungen zu verwenden. Für die strukturierbare Schicht 103 kann beispielsweise ein Fotolack, ein röntgenstrukturierbarer Lack oder andere Schichten, die durch Plasmaätzprozesse strukturiert werden können, Verwendung finden.

Claims

Mikromechanischer Drehratensensor mit einem Ring (3), der durch Mittel zur Schwingungsanregung (10) in Schwingungen mit Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten angeregt wird, – wobei die Mittel zur Schwingungsanregung (10) an den Schwingungsbäuchen angeordnet sind. – wobei in den Schwingungsknoten Nachweiselemente (20) angeordnet sind, durch die eine durch Drehung verursachte Verschiebungen der Schwingungsknoten nachweisbar ist, – wobei der Ring (3), die Mittel zur Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) als Oberflächenmikromechanische Elemente auf einem Substrat ausgebildet sind.
Mikromechanischer Drehratensensor mit einem Ring (3), der durch Mittel zur Schwingungsanregung (10) in Schwingungen mit Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten angeregt wird, – wobei in den Schwingungsknoten Nachweiselemente (20) angeordnet sind, durch die eine durch Drehung verursachte Verschiebungen der Schwingungsknoten nachweisbar ist, – wobei die Mittel zur Schwingungsanregung (10) und/oder die Nachweiselemente (20) als Elektrodenpaare (11, 12; 21, 22) in Kammstruktur ausgebildet sind. – wobei der Ring (3), die Mittel zur Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) als Oberflächenmikromechanische Elemente auf einem Substrat ausgebildet sind.
Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Mittel zur Anregung von Schwingungen (10) bewegliche Elektroden (12) und feststehende Elektroden (11), die einander gegenüberliegend angeordnet sind, vorgesehen sind, daß die beweglichen Elektroden (12) am Ring (3) und die feststehenden Elektroden (11) auf dem Substrat (4, 31) befestigt sind, und daß zwischen den feststehenden Elektroden (11) und den beweglichen Elektroden (12) eine oszillierende Spannung angelegt wird.
Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiselemente (20) bewegliche Elektroden (22) und feststehende Elektroden (21), die einander gegenüberliegend angeordnet sind, aufweisen, daß die beweglichen Elektroden (22) am Ring (3) und die feststehenden Elektroden (21) auf dem Substrat (4, 31) befestigt sind, und daß zwischen den feststehenden (21) und den beweglichen Elektroden (22) ein kapazitives Signal gemessen wird.
Drehratensensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Elektroden (11, 21) durch Lagerblöcke (13, 23) mit dem Substrat (4, 31) verbunden sind.
Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3) mit Schwingfedern (5) an einem auf dem Substrat (4, 31) verankerten Lagerblock (6) aufgehängt ist.
Drehratensensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4, 31) aus Silicium gebildet ist, und daß die Lagerblöcke (6, 13, 23) mit einer isolierenden Schicht (32) mit dem Substrat (4, 31) verbunden sind.
Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3), die Mittel zur Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) aus einkristallinem Silicium ausgebildet sind.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (3), die Mittel zur Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) aus polykristallinem Silicium ausgebildet sind.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (101) aus einem isolierenden Material gebildet ist, daß die Lagerblöcke (6, 13, 23) mit dem Substrat (101) verbunden sind, und daß der Ring (3), die Mittel zur Schwingungsanregung (10) und die Nachweiselemente (20) aus einem Metall ausgebildet sind.