DE4103589A1 - Sensoreinrichtung mit einem mechanisch resonanten schwingungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung mit minde­ stens einem mechanisch resonanten Schwingungselement, das bei einer Auslenkung aus einer Ausgangslage aufgrund einer Kraftein­ wirkung ein von der Auslenkung abhängiges elektrisches Signal erzeugt. Eine derartige Sensoreinrichtung geht aus der Veröf­ fentlichung "Proc. IEEE", Vol. 70, No. 5, Mai 1982, Seiten 420 bis 457 hervor.

Zu einer Messung von insbesondere Vibrationen und Beschleunigun­ gen werden verschiedene Sensorprinzipien angewandt. Entsprechen­ de Sensoreinrichtungen werden vielfach auch als Akzelerometer bezeichnet. Vibrationsempfindliche Sensoreinrichtungen können z. B. in der Automobiltechnik eingesetzt werden, oder in anderen, empfindlichen Maschinen, die in rauher, bisweilen aggressiver Umgebung betrieben werden. Zur Vermeidung unangemessener Be­ triebszustände müssen derartige Maschinen hinsichtlich vermeid­ barer Vibrationen überwacht werden. Oft müssen von den Sensor­ einrichtungen an solchen Maschinen auch hohe Temperaturen wäh­ rend des Betriebes ausgehalten werden. Ein weiteres Einsatzge­ biet vibrationsempfindlicher Sensoreinrichtungen ist in der Überwachung sehr langer, empfindlicher Rohranlagen zu sehen. Bei derartigen Rohranlagen wird vielfach gefordert, daß Leitungsbrü­ che aus den verschiedensten Gründen wie z. B. wegen eines wert­ vollen Fördergutes oder aus Umweltschutzgründen unbedingt ver­ mieden werden müssen.

Entsprechende bekannte Sensoreinrichtungen weisen im allgemeinen eine freistehende, schwingungsfähige Struktur auf, die durch die auf sie einwirkenden mechanischen Kräfte, z. B. Vibrations- oder Beschleunigungskräfte, zu Schwingungen angeregt werden. Dabei wird die Auslenkung einer solchen Schwingungsfähigen Struktur, die nachfolgend allgemein als Schwingungselement bezeichnet wird, aus der Ausgangslage (bei fehlender Krafteinwirkung) in ein elektrisches Nutzsignal umgesetzt. Um höhere Auslenkungen und damit einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen, können Reso­ nanzeigenschaften dieser Schwingungselemente gezielt eingesetzt werden. Aus der Silizium-Technologie sind Biegebalken als ent­ sprechende Schwingungselemente bekannt (vgl. die eingangs ge­ nannte Literaturstelle "Proc. IEEE"). Mit einem solchen Element kann man z. B. einen kapazitiven Meßkreis in Abhängigkeit von den Schwingungsamplituden verstimmen. Dabei bedient man sich vor­ teilhaft der CMOS-Technologie (vgl. z. B. "Sensors and Actuators", Vol. 19, 1989, Seiten 289 bis 307). Eine weitere bekannte Mög­ lichkeit besteht in der Anwendung piezoresistiver Materialien, um die mechanische Energie eines mechanisch resonanten Schwin­ gungselementes in elektrische Signale umzusetzen (vgl. z. B. die Firmenschrift Nr. ZT/KPW/9008, 1 90 163 PA 2812 mit dem Titel "VIBRIT - Piezokeramik von Siemens -", Seiten 1 bis 29).

Den bekannten Schwingungelementen gemeinsam ist ihre Anfällig­ keit gegenüber hohen Temperaturen, wie sie z. B. in einem Motor auftreten können. Vielfach bestehen auch Schwierigkeiten auf­ grund von Feuchte. Insbesondere sind kapazitive Meßmethoden hiergegen grundsätzlich anfällig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Sensor­ einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß die erwähnten Anfälligkeiten gegenüber ho­ hen Temperaturen und Feuchte zumindest vermindert sind und zu­ gleich eine verhältnismäßig einfache und kostengünstige Her­ stellung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenig­ stens ein Teil des Schwingungselementes ein hartmagnetisches, aufmagnetisiertes Material enthält und daß zu einer Erfassung eines von dem hartmagnetischen, aufmagnetisierten Material her­ vorgerufenen Magnetfeldes mindestens ein ortsfestes Sensorele­ ment vorgesehen ist.

Die mit dieser Ausgestaltung der Sensoreinrichtung erreichten Vorteile sind zum einen darin zu sehen, daß die Voraussetzung zu einer kostengünstigen Fertigung in großer Stückzahl und mit hoher Reproduzierbarkeit geschaffen ist. Denn auf einem an sich bekannten Schwingungselement läßt sich ein gewünschtes hartma­ gnetisches Material im allgemeinen ohne weiteres aufbringen. Gegebenenfalls kann das Schwingungselement auch vollständig aus dem hartmagnetischen Material hergestellt werden. Mittels an sich bekannter magnetfeldempfindlicher Sensorelemente läßt sich dann das von dem Schwingungselement erzeugte Magnetfeld, das sich in Abhängigkeit von der Auslenkung aus einer Sollage auf­ grund einer externen Krafteinwirkung ändert, erfassen. Zum ande­ ren bedarf das Schwingungselement der erfindungsgemäßen Einrich­ tung auch keiner zusätzlichen Stromquelle zur Erregung einer erzwungenen Schwingung, wie das bei piezoelektrischen Akzelero­ metern der Fall ist. Da die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit hoher Kompaktheit gefertigt werden kann, läßt sie sich un­ terschiedlichsten Anwendungsgebieten zuführen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorein­ richtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zu weiteren Erläuterungen der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in Schrägansicht bzw. als Schnitt veranschaulicht ist. Fig. 3 zeigt eine weitere Sen­ soreinrichtung nach der Erfindung. Aus den Fig. 4 und 5 gehen zwei Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Sensoreinrichtungen mit Arrays von Schwingungselementen und Sensorelementen hervor.

Die in den Fig. 1 und 2 skizzierte Sensoreinrichtung 2 ent­ hält als mechanisch resonante Struktur, d. h. als ein Schwin­ gungselement 3 einen sogenannten Biegebalken. Dieser einseitig befestigte Biegebalken 3 wird unter Einwirkung einer externen Kraft, beispielsweise einer Vibrations- oder Beschleunigungs­ kraft, gebogen, wobei sein freies stirnseitiges Ende 3a bezüg­ lich einer in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie veranschau­ lichten Ausgangslage A ausgelenkt wird. Ein solcher Biegebalken kann vorteilhaft nach bekanntem Verfahren der Silizium-Mikro­ strukturtechnik hergestellt werden. Hierzu wird von einem Sub­ strat 4, vorzugsweise einem Si-Wafer mit (100)-Orientierung, ausgegangen. Das Substrat 4 wird zunächst mit einer Haft- und Trägerschicht 5 für eine Schicht 6 aus einem hartmagnetischen Material versehen. Die Schicht 5 ist erforderlich, falls mit den verwendeten hartmagnetischen Materialien selbst keine hin­ reichend festen Biegebalken herzustellen sind. Dies ist z. B. bei einer Verwendung von Co oder CoCr als hartmagnetischem Mate­ rial der Fall. Werden jedoch hartmagnetische Materialien vorge­ sehen, die eine hinreichende Festigkeit der Biegebalken gewähr­ leisten, kann gegebenenfalls auf die Trägerschicht 5 verzichtet werden. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sei aber ei­ ne CoCr-Schicht 6 angenommen, die eine Trägerschicht 5 erforder­ lich macht. Die Trägerschicht 5 kann vorteilhaft aus Si₃N₄ be­ stehen und eine Dicke d₁ besitzen, die z. B. zwischen 1 und 10 nm liegt. Auf die Schicht 5 ist die hartmagnetische Schicht 6 (aus CoCr) mit einer Dicke d₂ von z. B. zwischen 5 und 50 nm aufge­ bracht. Mittels bekannter photolithographischer Verfahren (vgl. die genannte Veröffentlichung "Proc.IEEE", insbesondere S.425) wird der Schichtaufbau aus den Schichten 5 und 6 auf dem Sub­ strat 4 so strukturiert, daß seitlich von dem herzustellenden Biegebalken das Si des Substrates 4 freigelegt wird. Darauf wird das nun freiliegende Si-Substrat 4 in einem Medium geätzt, das bekanntermaßen anisotrop wirkt. Hierdurch wird bei hinrei­ chend langem Überätzen der Biegebalken 3 vorgegebener Geometrie erzeugt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ragt der Biegebalken 3 fingerartig in eine herausgeätzte Ausnehmung 8 des Substrates 4 hinein. Seine Breite b liegt dabei im allgemei­ nen zwischen 1 µm und 200 µm, beispielsweise bei 50 µm, während seine freie Länge 1 häufig zwischen 0,01 mm und 0,8 mm liegt und beispielsweise etwa 0,25 mm betragen kann. Der Biegebalken ist dabei in der Ebene der Oberkante der Ausnehmung 8 am Rand mit dem Substrat über die Trägerschicht 5 einseitig fest verbun­ den. Die Geometrie des Biegebalkens sowie die Schichtdicken d₁ und d₂ des Laminats aus Träger- und hartmagnetischer Schicht 5 bzw. 6 sowie die Elastizitätsmoduli und die Dichten der Schich­ ten 5 und 6 bestimmen die mechanische Resonanzfrequenz f des Biegebalkens im Grundmode (vgl. auch "J. Appl. Phys.", Vol. 50, No. 11, Nov. 1979, Seiten 6761 bis 6766):

mit

Hierbei sind E_t sowie E_m die Elastizitätsmoduli und ρ_t sowie ρ_m die Dichten der Trägerschicht 5 bzw. der hartmagnetischen Schicht 6.

Sollten die gestellten Anforderungen an die mechanische Reso­ nanzfrequenz durch rein geometrische Auslegung des Biegebalkens 3 nicht erfüllbar sein, so kann auf das freischwingende Ende 3a des Biegebalkens mittels photolithographischer Methoden eine zusätzliche Masse aufgebracht werden, die die Resonanzfrequenz entsprechend herabsetzt.

Die hartmagnetische Schicht 6 z. B. aus CoCr wird vorteilhaft nach dem Aufbringen, z. B. durch Sputtern in einem externen Ma­ gnetfeld aufmagnetisiert. Von Vorteil hinsichtlich der Empfind­ lichkeit eines verwendeten Sensorelementes 10 ist eine Magneti­ sierung in der Ebene der hartmagnetischen Schicht. Das so von der Schicht 6 hervorgerufene Magnetfeld ist in Fig. 1 durch ge­ pfeilte, mit H bezeichnete Linien angedeutet.

Als magnetfeldempfindliche Sensorelemente 10 sind praktisch alle Vorrichtungen geeignet, mit denen das von der aufmagneti­ sierten Schicht 6 hervorgerufene Magnetfeld H mit hinreichender Empfindlichkeit zu detektieren ist. Neben induktiven Leseköpfen, wie sie aus Datenspeichereinrichtungen bekannt sind, lassen sich besonders vorteilhaft magnetoresistive Sensoren vorsehen. Ein entsprechendes Element ist nachfolgend für das Ausführungs­ beispiel angenommen. Dieses in den Fig. 1 und 2 nicht näher ausgeführte Element ist ortsfest in einem geringen Abstand a zu dem freischwingenden Ende 3a des Biegebalkens 3 angeordnet. Für es kommen unterschiedliche Ausführungsformen in Frage. Bei­ spielsweise kann es als sogenannter Barber-Pole-Sensor (vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-18, No.2, März 1982, Seiten 763 bis 768) ausgeführt sein. Zwei Kontaktflächen lla und llb, sogenannte Kontaktpads, sind noch für ein entsprechendes Ele­ ment 10 in Fig. 1 angedeutet.

Vorteilhaft wird das magnetoresistive Sensorelement 10 vor dem anisotropen Ätzen des Si-Wafers 4 mit bekannten Methoden der Dünnfilm-Technik hergestellt. Dabei sollte die mechanische Ba­ sis des Sensorelementes zweckmäßig aus demselben Material beste­ hen wie die Trägerschicht 5 des Biegebalkens 6. Dann läßt sich das Unterätzen des Si-Wafers gefahrlos durchführen. Gegebenen­ falls muß die Sensorbasis in den Si-Wafer hineingesetzt werden, um ein symmetrisches Verhalten des Sensorelementes bezüglich einer bei fehlender Krafteinwirkung unbeeinflußten Ausgangslage (vgl. Fig. 2) zu gewährleisten. Dies empfiehlt sich insbesonde­ re dann, wenn das magnetoresistive Sensorelement 10 abgeschirmt werden muß oder wenn es in bekannter Weise als sogenanntes Gra­ diometer (vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-24, No. 6, Nov. 1988, Seiten 2617 bis 2619) gestaltet sein soll. Ein entspre­ chendes Ausführungsbeispiel ist aus dem schematischen Schnitt der Fig. 3 ersichtlich. Ein derartiges, mit 13 bezeichnetes Gradiometer weist im Gegensatz zu der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 zwei Sensorelemente 10 und 10′ auf. Diese Ele­ mente sind bezüglich einer durch die unbeeinflußte Ausgangslage des Biegelementes 3 bzw. seiner hartmagnetischen Schicht 6 fest­ gelegten Ebene A symmetrisch angeordnet. Geht man davon aus, daß das Biegelement 3 durch eine auf der ursprünglichen Oberflä­ che 4a des Substrates 4 aufgebrachte Trägerschicht 5 der Dicke d₁ und durch eine darauf abgeschiedene hartmagnetische Schicht 6 der Dicke d₂ gebildet wird, so muß das Sensorelement 10 gegen­ über der ursprünglichen Substratoberfläche 4a versenkt angeord­ net sein. Das versenkte Sensorelement 10 befindet sich dabei auf einem entsprechend versenkten Teil 5′ der Trägerschicht 5. Beide Sensorelemente 10 und 10′ sind gegenseitig mittels eines Isolators 14 beabstandet, der aus Symmetriegründen die vertika­ le Ausdehnung h = d₂+2·d₁ haben muß. Von den beiden Sensor­ elementen 10 und 10′, die jeweils insbesondere vom Barber-Pole- Typ sein können, sind in der Figur jeweils eine magnetoresisti­ ve Schicht 15 bzw. 15′ der Dicke d₃ z. B. aus einer NiFe-Legie­ rung und jeweils eine zum Aufbau des Barber-Pole-Elementes er­ forderliche leitfähige Schicht 16 bzw. 16′ der Dicke d₄ z. B. aus Au ersichtlich. Die Dicke d₃ von magnetoresistiven Schich­ ten 15 bzw. 15′ aus eine NiFe-Legierung kann z. B. jeweils zwi­ schen 20 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 20 nm und 50 nm liegen, während darauf aufgebrachte Au-Schichten 16 bzw. 16′ jeweils eine Dicke d₄ von z. B. etwa 100 nm haben können.

Um verschiedene Empfindlichkeiten der erfindungsgemäßen Sensor­ einrichtung zu erhalten, kann man vorteilhaft verschiedene Bie­ gebalken unterschiedlicher Geometrie zu einem Array anordnen. Ein entsprechendes Ausführungsbeipiel ist in Fig. 4 als Auf­ sicht angedeutet. Die allgemein mit 20 bezeichnete Sensorein­ richtung enthält mehrere (n) auf einem Substrat ausgebildete fingerartige Biegebalken 3 _j (mit 1 j n), die untereinander parallel ausgerichtet sind und denen eine entsprechende Anzahl n von (magnetoresistiven) Sensorelementen 10 _j zugeordnet sind. Aus Gründen der erforderlichen Ätztechnik zur Ausbildung der einzelnen Biegebalken 3 _j in Ausnehmungen 8 _j sollte die Breite s der Stege 21, die zwischen benachbarten Ausnehmungen 8 _j in dem Substrat verbleiben, zumindest annähernd das Doppelte der Bal­ kenbreite b betragen. Durch abgestufte Längen 1 _j der Biegebal­ ken 3 _j kann dabei eine verschiedene Empfindlichkeit ε der ein­ zelnen Elemente gewährleistet werden. Allgemein kann die Emp­ findlichkeit ε gemäß der folgenden Beziehung an die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden:

Die Größen und d sind dabei wie vorstehend definiert.

Darüber hinaus ist es auch möglich, auf einem Substrat mehrere der in Fig. 4 gezeigten Sensoreinrichtungen mit jeweils einem Array von Biegebalken auszubilden, wobei die Biegebalken aus den verschiedenen Arrays in einem vorbestimmten Winkel, insbe­ sondere von etwa 90° zueinander ausgerichtet sind. Fig. 5 zeigt schematisch als Aufsicht ein System aus zwei Sensorein­ richtungen 20 und 20′, die jeweils gemäß Fig. 4 gestaltet sein können. Die Ausdehnungsrichtung der Biegebalken der Sensorein­ richtung 20 schließt dabei mit der Ausdehnungsrichtung der Bie­ gebalken der Sensoreinrichtung 20′ einen rechten Winkel entspre­ chend den Koordinaten eines x-y-Koordinatensystems ein. Mit ei­ nem derartigen System von Sensoreinrichtungen ist es z. B. mit einer geeigneten Auswerte-Elektronik möglich, in x- und y-Rich­ tung unterschiedliche Beschleunigungen zu messen.

Gemäß den dargestellten Ausführungsbeipielen wurde davon ausge­ gangen, daß die Schwingungselemente von erfindungsgemäßen Sen­ soreinrichtungen finger- oder zungenartig in Ausnehmungen eines Substrates hineinragen. Selbstverständlich ist es auch möglich, solche Schwingungselemente an entsprechenden Erhebungen eines Trägerkörpers auszubilden. Auch andere geometrische Formen sind für die Schwingungselemente denkbar. Die Schwingungselemente brauchen auch nicht vollständig mit der hartmagnetischen Schicht versehen sein. Gegebenenfalls ist auch eine entsprechende Be­ schicntung nur am freien Ende des Schwingungselementes im ma­ gnetfeldsensitiven Bereich des verwendeten Sensorelementes aus­ reichend.

Claims (10)

1. Sensoreinrichtung mit mindestens einem mechanisch resonanten Schwingungselement, das bei einer Auslenkung aus einer Ausgangs­ lage aufgrund einer Krafteinwirkung ein von der Auslenkung ab­ hängiges elektrisches Signal erzeugt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Schwin­ gungselementes (3, 3 _j) ein hartmagnetisches, aufmagnetisiertes Material (6) enthält und daß zu einer Erfassung eines von dem hartmagnetischen, aufmagnetisierten Material (6) hervorgerufenen Magnetfeldes (H) mindestens ein ortsfestes Sensorelement (10, 10′, 10 _j) vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schwingungselement (3, 3 _j) ein einsei­ tig befestigter Biegebalken ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Biegebalken (3, 3 _j) fingerartig in eine Ausnehmung (8, 8 _j) eines Substrates (4) hineinragt und am Rand der Ausnehmung (8, 8 _j) mit dem Substrat (4) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat (4) zumindest weitgehend aus Silizium besteht.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungselement (3, 3 _j) eine auf einer Trägerschicht (5) aufgebrachte Schicht (6) aus dem hartmagnetischen Material enthält.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trägerschicht (5) aus Si₃N₄ besteht.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als hartmagnetisches Material Co oder eine Co-Legierung vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (10, 10′, 10 _j) ein magnetoresistives Element ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sensorelement (10, 10′, 10 _j) vom Bar­ ber-Pole-Typ ist.

10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ge­ kennzeichnet durch ein Array von Schwingungs­ elementen (3 _j), die zumindest zum Teil unterschiedliche Längen (1 _j) haben.