DE4335219A1 - Drehratensensor und Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung eines Drehraten­ sensors nach der Gattung des Anspruchs 7.

Aus der deutschen Offen­ legungsschrift DE 40 32 559 ist bereits ein Drehratensensor bekannt, der einen Schwinger und einen auf dem Schwinger angeordneten Be­ schleunigungssensor aufweist. Der Schwinger ist aus einem Träger heraus strukturiert und ist in einer Schwingungsrichtung, die parallel zur Oberfläche des Trägers ist, beweglich. Der auf dem Schwinger angeordnete Beschleunigungssensor erlaubt die Messung von Beschleunigungen, die senkrecht auf der Oberfläche des Schwingers stehen. Aus dem US-Patent 5 090 254 ist ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem das beschleunigungsempfindliche Element vollständig in einer Hülle eingekapselt ist. Aus der deutschen Offenlegungs­ schrift 41 06 287 ist ein Verfahren zum Einätzen von Ausnehmungen im Siliziumkörper bekannt, bei dem eine sechseckige Maskenstruktur ver­ wendet wird.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Be­ schleunigungssensor besonders zuverlässig gegen äußere Umweltein­ flüsse geschützt ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht eine besonders einfache Herstellung eines Drehraten­ sensors. Durch die klare Trennung der Prozeßschritte für die Her­ stellung des Beschleunigungssensors und der Herausstrukturierung des Schwingers können bereits bekannte Prozesse für den Beschleunigungs­ sensor benutzt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegeben Drehratensensors und des im unabhängigen Verfahrens­ anspruchs angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Drehraten­ sensors möglich. Durch die Ausgestaltung des Schwingers mit einer an einer Biegezunge aufgehängten seismischen Masse kann die Empfind­ lichkeit des Schwingers erhöht und ein ausreichender Platz für den Beschleunigungssensor geschaffen werden. Besonders robust wird dieser Aufbau, wenn mindestens zwei Biegezungen auf jeder Seite der seismischen Masse angreifen. Eine vergleichsweise einfache Anregung der Schwingungen des Schwingers erfolgt über aufgebrachte Leiter­ bahnen, die in einem Magnetfeld angeordnet sind. Durch die Ver­ wendung von zwei Schwingern wird die Meßbarkeit des Sensorsignals verbessert. Der Sensor läßt sich besonders einfach herstellen, wenn er aus einer 100-orientierten Siliziumplatte herausstrukturiert ist. Die so ausgebildeten Biegezungen können zudem besonders dünn und somit empfindlich ausgestaltet werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Drehraten­ sensor,

Fig. 2 und Fig. 3 zwei Querschnitte durch die Fig. 1,

Fig. 5-7 ein Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Drehratensensor und Fig. 8 die Anregung der Schwingungen durch ein Magnetfeld.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 wird in der Aufsicht ein plattenförmiger Träger 3 gezeigt, aus dem zwei Schwinger 1 herausstrukturiert sind. Jeder der Schwinger 1 weist eine seismische Masse 5 und vier Biegezungen 4 auf, an denen die seismische Masse 5 aufgehängt ist. Auf der seis­ mischen Masse 5 ist jeweils ein Beschleunigungssensor 2 angeordnet. Dieser Beschleunigungssensor 2 kann über die Bondpads 8 und die Leiterbahnen 6 kontaktiert werden. Weiterhin sind weitere Leiter­ bahnen 6 vorgesehen, die über Bondpads 7 kontaktiert werden können. Die geometrische Form der Schwinger 1 wird durch die sechseckigen Ausnehmungen 9 bestimmt. Der Träger 3 besteht aus einkristallinem Silizium. Die Kristallrichtungen dieses einkristallinen Siliziums sind im Koordinatensystem in der Fig. 1 dargestellt. Die Oberfläche des einkristallinen Siliziumträgers 3 weist eine 100-Orientierung auf. Die Ausnehmungen 9 bilden in der Aufsicht Sechsecke. Die beiden langgestreckten Seiten 12 dieser Sechsecke liegen dabei jeweils parallel zu 100-Kristallrichtungen, die vier kurzen Seiten 13 sind jeweils parallel zu 110-Kristallrichtungen des Siliziumeinkristalls. Diese Form ergibt sich aus dem Herstellungsverfahren, welches die Abhängigkeit der Ätzung von einkristallinem Silizium von der Kristallorientierung nutzt. Ein derartiges Herstellungsverfahren für Ausnehmungen 9 wird beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 41 06 287 be­ schrieben.

In der Fig. 2 wird ein Querschnitt durch den plattenförmigen Träger 3 entlang der Linie 1-1 gezeigt. Wie in der Fig. 2 zu sehen ist, weisen dabei die Biegezungen 4 Seitenwände auf, die senkrecht zur Oberfläche des plattenförmigen Trägers 3 sind. Weiterhin sind im Querschnitt auch die Leiterbahnen 6 zu erkennen. Durch ihre lange schmale Ausgestaltung sind die Biegezungen 4 besonders empfindlich für Krafteinwirkungen entlang der X-Achse, d. h. sie werden durch Kräfte in diese Richtung besonders leicht ausgelenkt. Demgegenüber sind Kräfte in Y-Richtung kaum in der Lage, die schmalen hohen Biegezungen 4 in die Y-Richtung auszulenken. Ausgehend von den Rändern 12 der Ausnehmungen 9 erstrecken sich die Seitenwände der Ausnehmungen 9 senkrecht zur Oberfläche des plattenförmigen Trägers 3.

In der Fig. 3 wird ein Schnitt durch den plattenförmigen Träger 3 entlang der Linie 11-11 gezeigt. Dabei wird insbesondere ein Quer­ schnitt durch eine Ausnehmung 9 und eine Leiterbahn 6 gezeigt. Die Seitenwände der Ausnehmung 9, die an die Ränder 12 angrenzen, sind wieder senkrecht zur Oberfläche des plattenförmigen Trägers 3. Bei diesen Seitenwänden handelt es sich um 100-Kristallebenen des Siliziumeinkristalls. Die Seitenwände der Ausnehmung 9, die an die Ränder 13 angegrenzen, bilden einen Winkel von 54,74 Grad zur Ober­ fläche des plattenförmigen Trägers 3. Diese Seitenwände werden von 111-Kristallebenen des Siliziumeinkristalls gebildet.

Die in den Fig. 1-3 beschriebene Struktur dient als Drehraten­ sensor. Durch eine Kraftwirkung auf die seismische Masse 5 bzw. die Biegezungen 4 werden die Schwinger 1 zu Schwingungen in der X-Rich­ tung angeregt. Erfolgt nun eine Drehung dieses Sensorsystems, so wirkt auf die Schwinger 1 eine Coriolisbeschleunigung. Diese Coriolisbeschleunigung wird durch die Beschleunigungssensoren 2 nachgewiesen. Das Ausmaß der Coriolisbeschleunigung ist bei be­ kannter Schwingung der Schwinger 1 ein Maß für die Drehung des plattenförmigen Trägers 3 um die Z-Achse.

Durch die Verwendung von zwei Schwingern 1 können die Signale der beiden Beschleunigungssensoren 2 als Differenzsignal ausgewertet werden. Durch diese Differenzbildung werden Beschleunigungskräfte, die auf beide Sensoren 2 gleich wirken, d. h. lineare Beschleuni­ gungen in Y-Richtung, unterdrückt werden. Es verbleibt dann ein Signal, welches nur noch von der Winkelgeschwindigkeit abhängt. Weiterhin ist es bei zwei Schwingern möglich, nur einen der beiden Schwinger anzuregen. Voraussetzung dafür ist, daß beide Schwinger 1 die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen und auf irgendeine Weise mechanisch miteinander gekoppelt sind. Im vorliegenden Fall kann eine mechanische Kopplung zwischen den beiden Schwingern 1 durch Verformungen des plattenförmigen Trägers 1 erreicht werden. Im hier gezeigten Beispiel sind jedoch auf beiden Schwingern 1 Mittel vorge­ sehen, die zur einer Anregung des Schwingers 1 brauchbar sind. Dazu wird über die Bondpads 7 durch die Leiterbahnen 6 ein Stromfluß über die Biegezungen 4 und die seismische Masse 5 geleitet. Sind nun weiterhin externe Mittel vorgesehen, mit denen ein Magnetfeld er­ zeugt werden kann, welches senkrecht auf dem plattenförmigen Träger 3 steht, so wird eine Kraftwirkung auf die Leiterbahnen 6 bzw. die Biegezungen 4 und die seismischen Massen 5 ausgeübt. Wird nun noch der Stromfluß zwischen dem Bondpad 7 mit der Resonanz­ frequenz der Schwinger 1 moduliert, so können die Schwinger 1 zu Schwingungen in der Y-Richtung angeregt werden. Durch Wahl der ent­ sprechenden Polaritäten werden dabei die beiden Schwinger 1 gegen­ phasig angeregt.

Beschleunigungssensoren 2, die zur Messung der Coriolisbe­ schleunigung in der Y-Richtung verwendet werden, werden beispiels­ weise in der US 5 090 254 beschrieben. In der Fig. 24 der US 5 090 254 wird beispielsweise ein vollständig gekapselter Be­ schleunigungssensor gezeigt, der in eine Polysiliciumschicht einge­ bettet ist. Ein solcher Beschleunigungssensor läßt sich in Ver­ bindung mit einem Verfahren zur Einbringung der Ausnehmungen 9 ver­ wenden, so daß die Herstellungsprozesse für den Beschleunigungs­ sensor einfach übernommen werden können. Der weitere Verlauf für die Ausbildung des hier gezeigten Drehratensensors wird in den Fig. 4-7 exemplarisch erläutert. In der Fig. 4 wird ein Quer­ schnitt durch einen plattenförmigen Träger 3 gezeigt, auf dessen Oberseite ein Beschleunigungssensor 2 ausgebildet ist. Die Her­ stellung dieses Beschleunigungssensors erfolgt in analoger Weise, wie bei der US 5 090 254 dargelegt. Die Ober- und Unterseite des plattenförmigen Trägers 3 werden mit einer Passivierschicht 14 be­ deckt. Für derartige Passivierschichten eignen sich beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die sich in bekannter Weise auf Platten aus einkristallinem Silizium abscheiden lassen. In der Fig. 5 sind nun einige weitere Bearbeitungsschritte dargestellt. Auf die Oberseite des plattenförmigen Trägers 3 wurde eine strukturierte Metallisierung 16 ausgebildet, die beispielsweise eine Kontaktierung zu dem Beschleunigungssensor 2 oder auch eine ein­ fache Leiterbahn bildet. Die Ausbildung dieser Metallisierung 16 kann beispielsweise durch ganzflächiges Aufsputtern oder Aufdampfen von Metallen und einem anschließenden Strukturierungsschritt er­ folgen. Weiterhin kann dann eine weitere Passivierung 17 vorgesehen werden, unter der die Metallisierung 16 und der Beschleunigungs­ sensor 2 begraben werden. Durch diese zusätzliche Passivierung 17 kann ein Schutz des Beschleunigungssensors 2 und der Leiterbahnen erfolgen. Als Materialien für diese zusätzliche Passivierung 17 kann wiederum Siliziumoxid oder Siliziumnitrid vorgesehen werden. Weiter­ hin kann noch eine zusätzliche Abdeckung 18, beispielsweise aus Fotolack, vorgesehen werden, um den Beschleunigungssensor 2 und die Metalli­ sierung 16 bei den weiteren Bearbeitungsschritten zu schützen. In die Unterseite des plattenförmigen Trägers 3 sind Ätzöffnungen 15 in die Passivierschicht 14 eingebracht. Durch diese Ätzöffnungen 15 hindurch erfolgt die Strukturierung des plattenförmigen Trägers 3, wie dies in der Fig. 6 gezeigt wird. Die Oberseite des platten­ förmigen Trägers 3 ist in der Fig. 6 gegenüber der Fig. 5 un­ verändert. Im Zugangsbereich der Ätzöffnungen 15 ist jedoch eine Ausnehmung 9 in den plattenförmigen Träger 3 eingeätzt, durch die eine Strukturierung des plattenförmigen Trägers 3 erzielt wird. Bei der in der Fig. 6 gezeigten Struktur handelt es sich um einen Quer­ schnitt durch eine seismische Masse 5, wie sie beispielsweise aus der Fig. 1 bekannt ist. Weiterhin ist aus der Fig. 6 zu erkennen, daß die seitlichen Abmessungen der Ausnehmung 9 die seitliche Ab­ messung der Ätzöffnung 15 deutlich überschreitet. Wie bereits zuvor bei der Beschreibung der Fig. 1-3 erläutert, werden die Seiten­ wände der Ausnehmungen 9, die an die Kanten 12 angrenzen, von 100-Kristallebenen gebildet, die senkrecht zur 100-Oberfläche des plattenförmigen Trägers 3 sind. Aufgrund der exakten Ausrichtung von Kanten der Ätzöffnungen 15 parallel zu 100-Kristallrichtungen des Siliziumeinkristalls kann eine kontrollierte Unterätzung der Passi­ vierung 14 zu beiden Seiten der Ätzöffnungen 15 erreicht werden. Es lassen sich so Ausnehmungen 9 erzeugen, die in einer Achse senkrecht Seitenwände aufweisen und deren laterale Abmessungen in dieser Rich­ tung durch die Ätzzeit exakt kontrolliert werden können. Zur Aus­ bildung der dünnen Biegezungen 4 werden zwei Ätzöffnungen 15 in definiertem Abstand parallel zueinander angeordnet, so daß durch die sich ausbildenden Ausnehmungen 9 gerade ein dünner Steg für die Biegezungen 4 stehenbleiben. Das hier vorgestellt Ätzverfahren ist beispielsweise auch aus der deutschen Offenlegung 41 06 287 bekannt. In der Fig. 7 wird dann der Querschnitt durch den plattenförmigen Träger 3 bzw. eine seismische Masse 5 gezeigt, nachdem die Passivierungen 14 in den nun nicht mehr benötigten Bereichen entfernt sind. Für diesen Verfahrensschritt kann die Photolackabdeckung 18 genutzt werden, um die Passivierung 14 im Bereich des Beschleunigungssensors 2 bzw. der Leiterbahnen 6 zu schützen.

In der Fig. 8 wird gezeigt, wie der plattenförmige Träger 3 zwischen zwei Spulen 21 angeordnet wird, um so ein Magnetfeld zu erzeugen, welches senkrecht auf der Oberfläche des plattenförmigen Trägers 3 steht. Auf diese Weise können die Schwinger 1 zu Schwingungen angeregt werden, indem ein elektrischer Strom durch die Leiterbahnen 6 geschickt wird. Durch Modulation des Stromes durch die Leiterbahnen 6 bzw. durch eine Modulation des Magnetfeldes 20 mit der Eingangsfrequenz der Schwinger 1 können die Schwinger 1 zu Schwingungen angeregt werden. Alternativ kann auch ein Permanentmagnet verwendet werden.

Claims (10)

1. Drehratensensor mit mindestens einem Schwinger (1) und mindestens einem auf dem Schwinger (1) angeordneten Beschleunigungssensor (2), wobei der Schwinger (1) aus einem plattenförmigen Träger (3) heraus­ strukturiert ist und mindestens eine Biegezunge (4) aufweist, die in einer ersten Achse, die senkrecht auf der Oberfläche des Trägers (3) steht, in etwa die Dicke des Trägers (3) und in einer zweiten, zur ersten Achse senkrechten Achse, eine geringe Dicke aufweist, wobei der Beschleunigungssensor (2) eine Beschleunigung in der zweiten Achse mißt, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungs­ sensor (2) hermetisch gekapselt ist.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (1) mindestens eine an der Biegezunge (4) aufgehängte seismische Masse (5) aufweist und daß der Beschleunigungssensor (2) auf der seismischen Masse (5) angeordnet ist.

3. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse an mindestens zwei Biegezungen (4), die an ent­ gegengesetzten Seiten der seismischen Masse (5) angeordnet sind, aufgehängt ist und daß auf den Biegezungen (4) unter der seismischen Masse (5) Leiterbahnen (6) angeordnet sind.

4. Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (1) in einem Magnetfeld (20) angeordnet ist und daß die Feldlinien des Magnetfelds (20) einen rechten Winkel relativ zu den Leiterbahnen (6) aufweisen.

5. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schwinger (1) vorgesehen sind, deren Resonanzfrequenz in etwa gleich sind, und daß die Schwinger (1) mechanisch gekoppelt sind, so daß eine Schwingung des einen Schwingers (1) eine gegenphasige Schwingung des anderen Schwingers (1) verursacht.

6. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3) eine 100-orientierte Silizium­ platte ist, daß der Schwinger durch Einätzen von Ausnehmungen (9) in die Siliziumplatte herausstrukturiert ist, wobei die Ränder (12, 13) der Ausnehmung (9) auf der Oberfläche des Trägers (3) die Umrisse von Sechsecken bilden, wobei zwei gegenüberliegende Ränder (12) des Sechsecks (12) parallel zu einer 100-Richtung und vier Seiten (13) des Sechsecks parallel zu einer 110-Richtung des Siliziumsein­ kristalls sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors durch Heraus­ strukturieren aus einem Siliziumeinkristalls, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Vorderseite einer Siliziumplatte ein ge­ kapselter Beschleunigungssensor (2) hergestellt wird, daß Metall­ strukturen (16) zur Kontaktierung des Beschleunigungssensors (2) und für Leiterbahnen (6) auf der Vorderseite aufgebracht werden, daß durch Einätzen von Ausnehmungen (9) in die Rückseite der Silizium­ platte (3), wobei die Ausnehmungen (9) die Siliziumplatte (3) voll­ ständig durchdringen, mindestens einen Schwinger (1) mit einer Biegezunge (4) herausstrukturiert wird, wobei der Beschleunigungs­ sensor (2) und die Leiterbahnen (6) auf dem Schwinger (1) angeordnet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Beschleunigungssensors auf der Vorderseite der Siliziumplatte (3) eine Passivierung (14), insbesondere aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, abgeschieden wird und daß das Ein­ ätzen der Ausnehmungen (9) in die Rückseite der Siliziumplatte (3) bis zur Passivierung (14) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierung (14) im Bereich der Ausnehmung von der Vorderseite der Siliziumplatte abgeätzt werden und daß der Beschleunigungssensor (2) und die Leiterbahnen (6) bei diesem Ätzschritt gegen einen Angriff geschützt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß für das Einätzen der Ausnehmung (9) auf der Rückseite der Silizium­ platte (3) eine Passivierung (14) mit Ätzöffnungen (15) aufgebracht wird und daß die Ätzöffnungen (15) eine sechseckige Gestalt auf­ weisen, wobei zwei Seiten des Sechsecks parallel zu 100-Kritstall­ richtungen der Siliziumplatte (3) und vier Seiten des Sechsecks parallel zu 100-Kristallrichtungen der Siliziumplatte sind und daß die Siliziumplatte (3) mit einer Ätzlosung beaufschlagt wird, die die 111-Kristallrichtung besonders langsam ätzt.