DE4335219B4

DE4335219B4 - Drehratensensor und Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensor

Info

Publication number: DE4335219B4
Application number: DE19934335219
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Ing. Dr. Zabler; Jiri Dr.-Ing. Dr. Marek; Joerg Dipl.-Ing. Dr. Wolf; Frank Dipl.-Phys. Dr. Bantien
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2013-10-16
Also published as: DE4335219A1; JP3497578B2; FR2711245A1; JPH07191054A

Abstract

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) herausstrukturiert 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 geringere Dicke aufweist, wobei der Beschleunigungssensor (2) eine Beschleunigung in der ersten Achse misst, wobei der Beschleunigungssensor (2) hermetisch gekapselt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse an mindestens zwei Biegezungen (4), die an entgegengesetzten Seiten der seismischen Masse (5) angeordnet sind, aufgehängt ist und dass auf den Biegezungen (4) und der seismischen Masse (5) Leiterbahnen (6) angeordnet sind, wobei der plattenförmige Träger (3) zwischen zwei Spulen (21) angeordnet ist, und das durch die Spulen (21) erzeugte Magnetfeld zusammen mit einem durch die Leiterbahnen (6)...

Description

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors nach der Gattung des Anspruchs 5. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 32 559 ist bereits ein Drehratensensor bekannt, der einen Schwinger und einen auf dem Schwinger angeordneten Beschleunigungssensor aufweist. Der Schwinger ist aus einem scheibenförmigen Träger herausstrukturiert. Schwinger und Träger sind miteinander über Stege verbunden. Die Stege haben in Richtung einer ersten Achse senkrecht zur Trägeroberfläche in etwa die Dicke des Trägers. Der Steg weist in einer zweiten, zur Oberfläche des Trägers parallelen Achse eine geringere Dicke auf, so dass in Schwingungsrichtung eine große Auslenkung des Schwingers erfolgen kann. Der auf dem Schwinger angeordnete Beschleunigungssensor erlaubt die Messung von Beschleunigungen, die senkrecht auf der Oberfläche des Schwingers stehen, d.h. in Richtung der ersten Achse. 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 Offenlegungsschrift DE 41 06 287 ist ein Verfahren zum Einätzen von Ausnehmungen im Siliziumkörper bekannt, bei dem eine sechseckige Maskenstruktur verwendet wird.

Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Beschleunigungssensor besonders zuverlässig gegen äußere Umwelteinflüsse geschützt ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht eine besonders einfache Herstellung eines Drehratensensors. Durch die klare Trennung der Prozessschritte für die Herstellung des Beschleunigungssensors und der Herausstrukturierung des Schwingers können bereits bekannte Prozesse für den Beschleunigungssensor benutzt werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestalttung des Schwingers mit einer an Biegezungen aufgehängten seismischen Masse kann die Empfindlichkeit 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 Leiterbahnen, die in einem Magnetfeld angeordnet sind. Durch die Verwendung 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.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drehratensensors und des im unabhängigen Verfahrensanspruch angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Drehratensensors möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Drehratensensor, 2 und 3 zwei Querschnitte durch die 1, die 5 – 7 ein Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Drehratensensor und 8 die Anregung der Schwingungen durch ein Magnetfeld.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der 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 seismischen 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 Leiterbahnen 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 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 beschrieben.
In der 2 wird ein Querschnitt durch den plattenförmigen Träger 3 entlang der Linie I-I gezeigt. Wie in der 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 3 wird ein Schnitt durch den plattenförmigen Träger 3 entlang der Linie II-II gezeigt. Dabei wird insbesondere ein Querschnitt 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 Oberfläche des plattenförmigen Trägers 3. Diese Seitenwände werden von 111-Kristallebenen des Siliziumeinkristalls gebildet.
Die in den 1 – 3 beschriebene Struktur dient als Drehratensensor. Durch eine Kraftwirkung auf die seismische Masse 5 bzw. die Biegezungen 4 werden die Schwinger 1 zu Schwingungen in der X-Richtung 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 bekannter Schwingung der Schwinger 1 ein Maß für die Drehung des plattenförmigen Trägers 3 um die Z-Achse.
Duch 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 Beschleunigungen 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 vorgesehen, 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 erzeugt 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 Resonanzfrequenz der Schwinger 1 moduliert, so können die Schwinger 1 zu Schwingungen in der Y-Richtung angeregt werden. Durch Wahl der entsprechenden Polaritäten werden dabei die beiden Schwinger 1 gegenphasig angeregt.
Beschleunigungssensoren 2, die zur Messung der Coriolisbeschleunigung in der Y-Richtung verwendet werden, werden beispielsweise in der US 5 090 254 beschrieben. In der 24 der US 5 090 254 wird beispielsweise ein vollständig gekappselter Beschleunigungssensor gezeigt, der in eine Polysiliciumschicht eingebettet ist. Ein solcher Beschleunigungssensor läßt sich in Verbindung mit einem Verfahren zur Einbringung der Ausnehmungen 9 verwenden, so daß die Herstellungsprozesse für den Beschleunigungssensor einfach übernommen werden können. Der weitere Verlauf für die Ausbildung des hier gezeigten Drehratensensors wird in den 4 – 7 exemplarisch erläutert. In der 4 wird ein Querschnitt durch einen plattenförmigen Träger 3 gezeigt, auf dessen Oberseite ein Beschleunigungssensor 2 ausgebildet ist. Die Herstellung 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 bedeckt. Für derartige Passivierschichten eignen sich beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die sich in bekannter Weise auf Platten aus einkristallinem Silizium abscheiden lassen. In der 5 sind nun einige weitere Bearbeitungsschritte dargestellt. Auf die Oberseite des plattenförmigen Trägers 3 wurde eine strukturierte Metallisierung 16 ausgebildet, die beispielsweise eine Kontaktiertung zu dem Beschleunigungssensor 2 oder auch eine einfache Leiterbahn bildet. Die Ausbildung dieser Metallisierung 16 kann beispielsweise durch ganzflächiges Aufsputtern oder Aufdampfen von Metallen und einem anschließenden Strukturierungsschritt erfolgen. Weiterhin kann dann eine weitere Passivierung 17 vorgesehen werden, unter der die Metallisierung 16 und der Beschleunigungssensor 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. Weiterhin kann noch eine zusätzliche Abdeckung 18, beispielsweise aus Fotolack, vorgesehen werden, um den Beschleunigungssensor 2 und die Metallisierung 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 6 gezeigt wird. Die Oberseite des plattenförmigen Trägers 3 ist in der 6 gegenüber der 5 unverändert. 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 6 gezeigten Struktur handelt es sich um einen Querschnitt durch eine seismische Masse 5, wie sie beispielsweise aus der 1 bekannt ist. Weiterhin ist aus der 6 zu erkennen, daß die seitlichen Abmessungen der Ausnehmung 9 die seitliche Abmessung der Ätzöffnung 15 deutlich überschreitet. Wie bereits zuvor bei der Beschreibung der 1 – 3 erläutert, werden die Seitenwände 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 Passivierung 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 Richtung durch die Ätzzeit exakt kontrolliert werden können. Zur Ausbildung 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 4106287 bekannt. In der 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 schützten.
In der 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

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) herausstrukturiert 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 geringere Dicke aufweist, wobei der Beschleunigungssensor (2) eine Beschleunigung in der ersten Achse misst, wobei der Beschleunigungssensor (2) hermetisch gekapselt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse an mindestens zwei Biegezungen (4), die an entgegengesetzten Seiten der seismischen Masse (5) angeordnet sind, aufgehängt ist und dass auf den Biegezungen (4) und der seismischen Masse (5) Leiterbahnen (6) angeordnet sind, wobei der plattenförmige Träger (3) zwischen zwei Spulen (21) angeordnet ist, und das durch die Spulen (21) erzeugte Magnetfeld zusammen mit einem durch die Leiterbahnen (6) fließenden elektrischen Strom die seismische Masse (5) zu Schwingungen anregt.
Drehratensensor nach Anspruch 1, 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.
Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schwinger (1) vorgesehen sind, deren Resonanzfrequenz in etwa gleich ist, und dass die Schwinger (1) mechanisch gekoppelt sind, so dass eine Schwinging des einen Schwingers (1) eine gegenphasige Schwingung des anderen Schwingers (1) verursacht.
Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) eine 100-orientierte Siliziumplatte 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 Siliziumseinkristalls sind.
Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors durch Herausstrukturieren aus einem Siliziumeinkristall, wobei auf einer Vorderseite einer Siliziumplatte ein gekapselter Beschleunigungssensor (2) hergestellt wird, dass Metallstrukturen (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 Siliziumplatte (3), wobei die Ausnehmungen (9) die Siliziumplatte (3) vollständig durchdringen, mindestens einen Schwinger (1) mit einer Biegezunge (4) herausstrukturiert wird, wobei der Beschleunigungssensor (2) und die Leiterbahnen (6) auf der Vorderseite des Schwingers (1) angeordnet sind, Vorsehen von Spulen auf beiden Seiten der Siliziumplatte (3), wobei die Spulen derart angeordnet sind, dass ein durch die Leiterbahnen (6) fließender elektrischer Strom in Zusammenwirkung mit dem Magnetfeld, das durch die Spulen erzeugt wird, den Schwinger (1) zu Schwingungen anregt.
Verfahren nach Anspruch 5, 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 Einätzen der Ausnehmungen (9) in die Rückseite der Siliziumplatte (3) bis zur Passivierung (14) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, 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.
Verfahren nach Anspruch 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass für das Einätzen der Ausnehmung (9) auf der Rückseite der Siliziumplatte (3) eine Passivierung (14) mit Ätzöffnungen (15) eine sechseckige Gestalt aufweisen, wobei zwei Seiten des Sechsecks parallel zu 100-Kristallrichtungen der Siliziumplatte (3) und vier Seiten des Sechsecks parallel zu 100-Kristallrichtungen der Siliziumplatte sind und dass die Siliziumplatte (3) mit einer Ätzlösung beaufschlagt wird, die die 111-Kristallrichtung besonders langsam ätzt.