DE4032559C2 - Drehratensensor und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bereits bekannt, zum Beispiel zur Messung der Drehgeschwin­ digkeit eines Fahrzeugs im wesentlichen um die Hochachse, zur Regelung der Fahrdynamik oder auch zu Navigationszwecken, geringe Drehraten im Bereich von mehreren Grad pro Sekunda mit Sensoren zu erfassen, bei denen eine Stimmgabelstruktur, die parallel zur Drehachse orientiert ist, zu Schwingungen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse angeregt wird. Bei einer Drehung um die Drehachse wirkt die Corioliskraft auf die schwingenden Stimmgabelzinken senkrecht zur Drehachse und senkrecht zur Anregungsrichtung, d. h. zur Auslenkung der Zinken bei Abwesenheit einer Drehbewegung. Die Drehrate kann über die von der Corioliskraft verursachte Auslenkung der Zinken senkrecht zur Anregungsrichtung erfaßt und ausgewertet werden.

In der nicht vorveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung 40 22 495 A1 werden verschiedene Ausgestaltungen eines Drehratensensors mit einem Sensorelement beschrieben, das aus einem monokristallinen Silizium­ wafer herausstrukturiert ist und mindestens einen Schwinger, vor­ zugsweise ein Paar von Schwingern aufweist, die über einen oder mehrere Stege mit einem festen Rahmen verbunden sind. Die Schwinger sind in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen schwingungs­ fähig. Es werden verschiedene Anregungsmöglichkeiten der Schwinger in einer ersten Schwingungsrichtung, die in der Waferebene liegt, beschrieben, wie zum Beispiel die elektromagnetische Anregung, die thermomechanische Anregung und verschiedene Möglichkeiten der elektrostatischen Anregung. Dieser Drehratensensor ist ferner mit Mitteln zur Erfassung von Auslenkungen der Schwinger in der zweiten Schwingungsrichtung ausgestattet.

In dem Aufsatz "Laterally Driven Polysilicon Resonant Micro­ structures" von William C. Tang, Tu-Cuong H. Nguyen und Roger T. Howe in Sensors and Actuators, 20 (1989) 25-32 sind verschiedene, schwingungsfähige, auf Träger abgeschiedene Polysiliziumstrukturen und Verfahren zu deren Herstellung beschrieben.

In der US 4,750,364 wird ein Drehratensensor beschrieben, bei dem aus einem einkristallinem plattenförmigen Träger Schwinger herausstrukturiert sind. Die Schwinger können zu Schwingungen parallel zur Oberfläche des Trägers angeregt werden. Der plattenförmige Träger ist dann zwischen zwei Elektrodenplatten angeordnet, wobei durch Elektroden, die auf diesen Platten angeordnet sind, eine Auslegung der Schwinger senkrecht zur Oberfläche des Trägers nachgewiesen werden kann.

In der DE 25 32 042 B2 wird eine Stimmgabelstruktur beschrieben, die so aufgehängt ist, daß sie um einen Schaft (207 der Fig. 6) drehbar ist. Beim Auftreten von Drehbewegungen erfolgt eine Verdrehung des Schafts 207. Die Stimmgabel kann mittels Einstellschrauben exakt zu einer Längsachse eines Schiffes ausgerichtet werden.

Die DE 34 17 858 C2 beschreibt ebenfalls eine Stimmgabelstruktur, die aus einem plattenförmigen Substrat 30 herausstrukturiert ist. Heim Auftreten einer Winkelgeschwindigkeit wird die Stimmgabelstruktur aus der Ebene der Platte 30 ausgelenkt, und dieser Auslenkung kann nachgewiesen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, besonders einfach aufgebaute Sensoren zur Messung einer Drehrate sowie Verfahren zur Herstellung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die Schwinger als Stege mit einem hohen Höhe zu Breite Verhältnis je nach Dicke des Trägers ausge­ bildet sein können, so daß eine große Auslenkung in der ersten Schwingungsrichtung erfolgen kann und gleichzeitig Querauslenkungen weitgehend vermieden werden, die Störsignale verursachen. Diese spezielle Ausbildung der Schwinger ermöglicht vorteilhaft eine starre, präzise und störsichere Führung in der ersten Schwingungs­ richtung. Gleichzeitig können die senkrecht zur ersten Schwingungs­ richtung auslenkbaren Strukturelemente, die auf den Schwingern auf­ gebracht sind und als Beschleunigungssensoren für die Coriolis­ beschleunigung senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung dienen, so ausgebildet sein, daß sie eine große Empfindlichkeit aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, die beschleunigungssensitiven Strukturelemente über Stege mit dem Schwinger zu verbinden, die parallel zur ersten Schwingungsrichtung ausgerichtet sind. Dadurch können durch die Bewegung des Schwingers verursachte Querauslenkun­ gen des Strukturelementes weitgehend vermieden werden. Der erfin­ dungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 hat den Vorteil, daß er mit sehr kleinen Abmessungen realisierbar ist. Der Meßeffekt der erfindungsgemäßen Sensoren läßt sich positiv durch Anregung der Schwinger zu Schwingungen hoher Frequenz und durch eine möglichst große Auslenkung der Strukturelemente senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung der Schwinger verstärken.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der in den beiden nebengeordneten Ansprüchen 1 und 3 angegebenen Sensoren möglich. Besonders vorteil­ haft ist es, als Träger einen monokristallinen Siliziumwafer mit (110)- oder (100)-Kristallorientierung zu verwenden, da sich diese einfach mit aus der Mikromechanik bekannten Verfahren durch trocken- oder naßchemisches Ätzen strukturieren lassen. Stege mit senkrecht zur Waferoberfläche ausgebildeten Wänden eignen sich besonders vorteilhaft als Schwinger. Sie lassen sich einfach durch anisotropes elektrochemisches Ätzen mittels KOH aus (110)-orientier­ ten Siliziumwafern strukturieren. Durch trockenchemisches Ätzen (Trenchen) können auch von der Kristallorientierung unabhängige Ausgestaltungen verwirklicht werden. Besonders vorteilhaft sind Polysiliziumstrukturen oder Strukturen aus monokristallinem Silizium als schwingungsfähige Strukturelemente, da sie in Dünnschichttechnik nach bekannten Verfahren so herstellbar sind, daß sie eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die Realisierung der erfindungsgemäßen Drehratensensoren in Silizium ist außerdem besonders vorteilhaft, da sie eine Integration der zugehörigen Auswerteschaltung auf dem Sensorelement erlaubt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 die perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Sensorelementes, die Fig. 2a bis d verschiedene Ausge­ staltungen eines Strukturelementes und Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines weiteren Sensorelementes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Sensorelementes dargestellt, das aus einem scheibenförmigen Träger 10 in Form einer doppelten Stimm­ gabel herausstrukturiert ist. Die eine Seite der Stimmgabelstruktur besteht aus einem Schwinger 13, der zweiseitig über vier Stege 14 mit dem Träger 10 verbunden ist. Sowohl der Schwinger 13 als auch die Aufhängungsstege 14 sind in der vollen Dicke des Trägers 10 aus­ gebildet. Ebenfalls möglich ist es, den Schwinger 13 nur einseitig über Stege 14 mit dem Träger zu verbinden, so daß eine offene Stimm­ gabelstruktur entsteht. Der Schwinger kann mit Hilfe von in der Zeichnung nicht näher dargestellten Mitteln zu Schwingungen in einer ersten Schwingungsrichtung, was durch den Pfeil 1 angedeutet ist, die in der Trägerebene liegt, angeregt werden. Dies kann beispiels­ weise elektrostatisch, elektrodynamisch oder auch thermoelektrisch erfolgen, wie in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 40 22 495 A1 beschrieben. Auf dem Schwinger 13 ist über Stege 23 ein als Zunge ausgebildetes Strukturelement 21 aufgebracht. Die Zunge 21 ist parallel zur Trägeroberfläche orientiert und senkrecht zur Trägeroberfläche auslenkbar, so daß sich Beschleunigungen senkrecht zur Trägeroberfläche mit der Zunge 21 erfassen lassen. Schwingt der Schwinger 13 in der ersten Schwingungsrichtung 1 und wenn das Sensorelement eine Drehbewegung um eine Drehachse 3, die senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung 1 und senkrecht zur Auslenkungs­ richtung 2 der Zunge 21 orientiert ist, so wirkt auf die Zunge 21 eine Coriolisbeschleunigung senkrecht zur Trägeroberfläche in Rich­ tung 2. Diese Coriolisbeschleunigung, die zu einer Auslenkung der Zunge 21 führt, kann entweder piezoresistiv durch auf der Zunge 21 angeordnete Piezowiderstände oder wie in Fig. 1 dargestellt kapazi­ tiv erfaßt werden. Dazu ist ein Bereich der der Zunge 21 zugewandten Oberfläche des Schwinges 13 als eine Elektrodenseite 17 eines Plattenkondensators präpariert, die über eine Zuleitung 181 mit einem Anschluß 191 verbunden ist. Die andere Elektrodenseite des Plattenkondensators wird durch die Zunge 21 selbst gebildet, die über eine Zuleitung 182 mit einem Anschluß 192 verbunden ist. Eine Auslenkung der Zunge 21 in Richtung 2 führt zu einer Kapazitäts­ änderung dieses Plattenkondensators und kann mittels einer hier nicht dargestellten Auswerteschaltung ausgewertet werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich die in Fig. 1 dargestellte Struktur eines Sensorelementes in einkristallinen Siliziumträgern 10 und darauf abgeschiedenen Polysiliziumstrukturen oder monokristallinen Siliziumstrukturen realisieren. Der Schwinger 13 und die Stege 14 lassen sich einfach durch trocken- oder naßchemisches Ätzen aus dem Siliziumträger herausstrukturieren, was zum Beispiel durch das elektrochemische Ätzen einer Membran und anschließendes Struktu­ rieren dieser Membran erfolgen kann. Zur Erzeugung von Strukturen mit Seitenwänden senkrecht zur Trägeroberfläche eignen sich besonders (110)-orientierte Siliziumwafer, da die Strukturen dann durch naßchemisches Ätzen mittels KOH erzeugt werden können. Bei Verwendung von trockenchemischem Ätzen (Trenchen) können solche Stege auch unabhängig von der Kristallorientierung hergestellt werden. Die auf den Schwingern angeordneten schwingungsfähigen Strukturelemente sowie deren Verbindungsstege zum Trägersubstrat lassen sich vorteilhaft in Polysilizium oder monokristallinem Silizium verwirklichen, da durch Abscheidung von Silizium auf einer Hilfsschicht, beispielsweise einer Oxidschicht, die als sogenannte "sacrificial layer" dient und anschließend durch Unterätzen der Siliziumstruktur wieder entfernt wird, dünne Strukturelemente erzeugt werden können, die zu einer hohen Empfindlichkeit des Drehratensensors beitragen. Als Strukturelemente eignen sich neben parallel zur Trägeroberfläche orientierten Zungen auch zweiseitig befestigte, brückenartig auf dem Schwinger angeordnete Platten.

Die Realisierung des erfindungsgemäßen Sensorelementes in Silizium ermöglicht die Integration von Teilen der Auswerteschaltung auf dem Sensorelement. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, daß beispielsweise eine starre Elektrodenseite des Plattenkondensators, die auf der Oberfläche des Schwingers 13 realisiert ist, durch ein­ fache Diffusion in das Trägersubstrat erzeugt sein kann. Dasselbe gilt für die Zuleitungen 181, 182.

In den Fig. 2a bis d sind verschiedene Ausgestaltungen des Strukturelementes 21 mit Aufhängungsstegen 23 dargestellt. Je nach Anwendung können eine einseitige Aufhängung, siehe Fig. 2b, eine zweiseitige Aufhängung, siehe Fig. 2a und d, oder auch eine vier­ seitige Aufhängung, siehe Fig. 2c gewählt werden. Dient das Strukturelement 21 nur als Beschleunigungsaufnehmer für die Coriolisbeschleunigung, das heißt, wird es auf einen aus einem Träger 10 strukturierten Schwinger 13 aufgebracht, so ist es besonders geschickt, die Aufhängungsstege 23 parallel zur ersten Schwingungsrichtung 1, wie mit dem Pfeil 1 angedeutet, auszurichten. dadurch können störende Querauslenkungen des Strukturelementes 21 in der ersten Anregungsrichtung 1 weitgehend vermieden werden. Die in Fig. 2c dargestellte vierseitige Aufhängung des Strukturelements 21 durch vier sternförmig angeordnete Aufhängungsstege 23 ist vorteil­ haft, da dadurch alle Querauslenkungen gleichmäßig verhindert wer­ den. Die Beschleunigungssensitivität senkrecht zur Oberfläche des Schwingers 13 kann auch vorteilhaft durch eine Ausgestaltung des Strukturelementes 21 entsprechend Fig. 2d erhöht werden. Das Strukturelement 21 ist hier zweiseitig über Stege 23 mit dem Schwinger 13 verbunden. Die Verbindung der beschleunigungssensitiven Platte 21 mit den Stegen 23 ist aber nicht direkt, sondern wird durch zwei dünne verbiegbare Stäbe 231 gebildet.

In Fig. 3 ist der Ausschnitt aus einem weiteren Sensorelement dar­ gestellt mit einem angeschittenen Träger 10. Bei diesem Ausführungs­ beispiel ist der Träger 10 nicht strukturiert. Es kann sich hier ebenfalls um einen monokristallinen Siliziumwafer handeln oder um ein anderes Substrat, auf das in geeigneter Weise Strukturelemente und Mittel zur Signalerfassung aufgebracht werden können. Auf den Träger 10 ist eine brückenartige Struktur aufgebracht. Sie wird im wesentlichen von einer plattenförmigen seismischen Masse 30 gebil­ det, die zweiseitig über vier Stegen 31 mit dem Trägersubstrat ver­ bunden ist. Diese Struktur läßt sich in einer ersten Schwingungs­ richtung, die durch den Pfeil 1 angedeutet ist, anregen, was bei­ spielsweise elektrostatisch erfolgen kann. Die Anregungsmittel sind hier nicht näher dargestellt. Bei einer Drehbewegung des Sensor­ elementes um eine Drehachse 3, die in der Trägerebene und senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung liegt, wirkt eine Coriolisbeschleuni­ gung auf die schwingende seismische Masse 30 senkrecht zur Träger­ oberfläche. Die daraus resultierende Auslenkung der seismischen Masse 30 senkrecht zur Trägeroberfläche kann piezoresisitv oder kapazitiv erfaßt werden und ist ein Maß für die Winkelgeschwindig­ keit der Drehung. Das in Fig. 3 dargestellte Sensorelement ist in Silizium realisiert. Mit 11 ist eine Ladungsträgerdiffusion in den Träger 10 bezeichnet, die dazu dient, einen Teil der unter der plattenförmigen seismischen Masse 30 befindlichen Oberfläche des Trägers elektrisch von der plattenförmigen seismischen Masse 30 zu isolieren, so daß dieser Teil der Oberfläche zusammen mit der seismischen Masse 30 einen Kondensator bildet, über dessen Kapazitätsänderung die Auslenkung der seismischen Masse 30 in einer zweiten Schwingungsrichtung senkrecht zur Trägeroberfläche erfaßt werden kann.

Claims (8)

1. Drehratensensor mit einem Sensorelement aus einer ersten und zweiten Schicht, das mindestens einen aus der ersten Schicht ausgebildeten Schwinger (13) aufweist, wobei die erste Schicht durch einen scheibenförmigen Träger (10) gebildet ist, und mit Mitteln zur Anregung des mindestens einen Schwingers (13) in einer ersten Schwingungsrichtung, die parallel zu einer Oberfläche des Trägers (10) orientiert ist, wobei der mindestens eine Schwinger (13) mit mindestens einem Steg (14) mit dem Träger (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein beschleunigungssensitives Strukturelement (21) aus der zweiten Schicht herausgebildet ist, die auf einer parallel zur Oberfläche des Trägers (10) orientierten Oberfläche des mindestens einen Schwingers (13) aufgebracht ist, daß das mindestens eine Strukturelement (21) senkrecht zu der Oberfläche des Trägers auslenkbar ist und daß Mittel zur kapazitiven oder piezoresistiven Erfassung der Auslenkungen des mindestens einen Strukturelementes (21) senkrecht zur Oberfläche des Trägers (10) vorhanden sind.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Strukturelement (21) einseitig oder zweiseitig über Stege (23) mit dem Schwinger (13) verbunden ist, so daß die Stege (23) parallel zur ersten Schwingungsrichtung (1) ausgerichtet sind.

3. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturelement (21) eine plattenförmige seismische Masse aufweist, die parallel zur Oberfläche des Trägers (10) orientiert ist.

4. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) ein monokristalliner Siliziumträger mit (110)- oder (100)- Kristallorientierung ist.

5. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Strukturelement (21) als Polysiliziumstruktur ausgebildet ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Strukturelement (21, 30) durch Abscheiden einer Polysiliziumschicht auf in Teilbereichen der Trägeroberfläche aufgebrachten Hilfsschichtsockeln und durch anschließendes Entfernen der Hilfsschichtsockel durch Unterätzen der aufgebrachten Siliziumschicht hergestellt wird.

7. Drehratensensor mit einem Sensorelement aus einer ersten und zweiten Schicht, wobei die erste Schicht durch einen scheibenförmigen Träger (10) gebildet ist, wobei mindestens ein in der zweiten Schicht ausgebildeter Schwinger (30) vorgesehen ist, und mit Mitteln zur Anregung des mindestens einen Schwingers (30) in einer ersten Schwingungsrichtung, die parallel zu einer Oberfläche des Trägers (10) orientiert ist, wobei der Schwinger (30) senkrecht zur Oberfläche des Trägers (10) auslenkbar ist und mit Mittel zur kapazitiven oder piezoresistiven Erfassung der Auslenkung des Schwingers (30) senkrecht zur Oberfläche des Trägers (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) als monokristalliner Siliziumträger mit (110)- oder (100)-Kristallorientierung und daß der Schwinger (30) als Polysiliziumstruktur ausgebildet sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (30) durch Abscheiden einer Polysiliziumschicht auf in Teilbereichen der Oberfläche des Trägers (10) aufgebrachten Hilfsschichtsockeln und durch anschließendes Entfernen der Hilfsschichtsockel durch Unterätzen der aufgebrachten Siliziumschicht hergestellt wird.