DE4430439C2 - Sensoreinheit mit mindestens einem Drehratensensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorein­ heit mit mindestens einem Drehratensensor und Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Erfindung betrifft also eine Sensoreinheit mit einem speziellen Sensor, der sich besonders zur Messung von Dreh­ bewegungen (Winkelgeschwindigkeiten) im Prinzip aber auch von translatorischen Bewegungen, eignet. Die Sensoreinheit kann daneben weitere elektronische Bauteile erhalten, die z. B. zur Auswertung und/oder Verarbeitung der erzeugten Ausgangssignale und/oder zur Ansteuerung und Regelung der Antriebe des Drehratensensors dienen.

Drehratensensoren (Gyroskope und insbesondere Schwingungs­ gyroskope nutzen Referenzbewegungen von Massen, um bei Beaufschlagung des Sensors mit einer zur Schwingungsbewe­ gung senkrechten Drehachse Corioliskräfte zu generieren und zu detektieren. Die simultan zur Referenzbewegung erzeugten Signale durch Corioliskräfte entsprechen der beaufschlagten Drehrate.

Nach dem Stand der Technik verwenden Schwingungsgyroskope Stimmgabeln, einen Schwingungsstab oder -zylinder. Jedoch erweisen sich die bekannten Schwingungsgyroskope wegen der gesonderten Art dieser Elemente nicht leicht an eine Minia­ turisierung oder Serienproduktion anpaßbar. Der Typ eines in mikromechanischer Weise hergestellten Schwingungsgyros­ kops, das Silizium-Platten, die zu Rotationsschwingungen angeregt werden, verwendet, weist jedoch eine sehr komplexe Struktur auf (vgl. DE 35 09 948 A1).

Weiterhin ist aus der DE 40 22 495 A1 ein Drehratensensor mit einem Sensorelement bekannt, das aus einem monokri­ stallinen Siliziumwafer herausstrukturiert ist und minde­ stens einen Schwinger aufweist, der über einen oder mehrere Stege mit einem festen Rahmen verbunden sind. Die Schwinger sind in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen schwingungsfähig, das Sensorelement ist mit Mitteln zur Anregung der Schwinger in einer ersten Schwingungsrichtung und mit Mitteln zur Erfassung von Auslenkungen der Schwin­ ger in der zweiten Schwingungsrichtung, die senkrecht auf der ersten Schwingungsrichtung steht, ausgestattet. Ferner weist das Sensorelement mindestens eine Abdeckung auf, auf die eine feststehende Elektrode als Elektrode eines Plat­ tenkondensators aufgebracht ist. Jeweils ein Schwinger bildet die andere Elektrodenseite dieses Plattenkondensa­ tors. Die Aufhängungsstege dienen als elektrische Zuleitun­ gen zur Anregung und Signalzu- bzw. -abführung für die Schwinger.

Aus der DE 40 41 582 A1 ist ein Drehratensensor mit einem Sensorelement bekannt, das einen festen Rahmen und minde­ stens einen Schwinger aufweist, der über einen oder mehrere Stege mit dem festen Rahmen verbunden ist und in zwei auf­ einander senkrecht stehenden Richtungen schwingungsfähig ist. Der Drehratensensor hat Mittel zur Anregung des minde­ stens einen Schwingers in einer ersten Schwingungsrichtung, die in der Ebene des Rahmens liegt. Ferner sind Mittel zur Erfassung von Auslenkungen des mindestens einen Schwingers in der zweiten Schwingungsrichtung vorhanden. Der Drehra­ tensensor weist mindestens eine Abdeckung des Sensorelemen­ tes in der zweiten Schwingungsrichtung auf. Das Sensorele­ ment ist schichtweise aufgebaut, wobei mindestens eine Schicht durch ein Keramiksubstrat gebildet ist. Aus diesem Keramiksubstrat sind Teile des Rahmens, Teile des minde­ stens einen Schwingers und die Stege strukturiert. Die Schaltungselement zur Anregung des mindestens einen Schwin­ gers und zur Erfassung von Meßsignalen sind auf das Kera­ miksubstrat in Dickschichttechnik, durch im Siebdruckver­ fahren aufgebrachte und anschließend gebrannte Dickschicht­ pasten, aufgebracht.

Schließlich ist aus der DE 42 28 795 A1 ein Drehratensensor bekannt, der aus einem Siliziumwafer herausstrukturiert ist. Der Drehratensensor weist einen Schwinger auf, der zu Schwingungen angeregt wird, die senkrecht zur Oberfläche des Siliziumwafers sind. Durch einen auf dem Schwinger angeordneten Beschleunigungssensor kann die bei einer Dre­ hung des Sensors um eine bestimmte Achse auftretende Corio­ lisbeschleunigung gemessen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorein­ heit und Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors zu entwickeln, die sich für Ausgestaltungen geringer geometrischer Abmessungen eignet und dabei eine einfache Struktur aufweist, die mit weiteren elektronischen Bautei­ len in eine Sensoreinheit integriert und unter Anwendung von Massenherstellungstechniken leicht herstellbar ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist die Sensoreinheit mit mindestens einem Sensorelement, insbesondere hergestellt in mikromechanischer Technologie, gemäß Patentanspruch 1, sowie die Verfahren gemäß Patent­ ansprüchen 10 und 11.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wurde an sich für die Regelung von Fahrwerks- und Bremssystemen für Kraftfahrzeuge entwickelt. Sie eignet sich aber darüber hinaus auch zur Regelung in sonstigen unter den Patentanspruch 1 fallenden Anordnungen, z. B. in Trägheitsnavigations- und Führungssystemen.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltung im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Drehratensensor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht des Drehratensensors in Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Drehratensensors in Fig. 1;

Fig. 4 die Integration von zwei Sensorelementen auf demselben Substrat.

Anhand der Fig. 1 wird die Funktionsweise der Erfindung nun erläutert. In der Mitte befindet sich eine seismische Mi­ schung SM, die durch zwei Biegefedern B schwingungsfähig gelagert ist. Mit der seismischen Masse SM sind zwei Dop­ pelkammstrukturen starr verbunden, die mit vier fest mit dem Trägersubstrat verbundenen Antriebs- /Detektionskamm­ elektroden FS1, FS2, FS3, FS4 vier Interdigitalkondensato­ ren C1, C2, C3, C4 bilden.

Diese vier Interdigitalkondensatoren dienen zur Anregung einer lateralen Schwingungsbewegung entlang der X-Achse (vgl. Patentansprüche 2 und 3). Bei dem Auftreten einer Drehbewegung um die Eingangsachse Z des Drehratensensors wird durch die resultierende Corioliskraft die seismische Masse SM zu Schwingungen entlang der Y-Achse angeregt.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Ein­ gangsachse Z des Drehratensensors senkrecht auf dem Chip steht.

Die Detektion der Auslenkung der seismischen Masse SM ent­ lang der Y-Achse erfolgt ebenfalls über die oben beschrie­ benen Interdigitalkondensatoren C1, C2, C3, C4.

Um den Einfluß der angeregten lateralen Schwingung entlang der X-Achse auf die Erfassung der Meßgröße zu minimieren, werden jeweils die Kapazitäten C1 und C2 und die Kapazitä­ ten C3 und C4 parallel zusammengeschaltet. Wird durch die laterale Schwingung entlang der X-Achse der Wert der Kapa­ zitäten C1 und C3 durch eine Vergrößerung/Verkleinerung der Plattenfläche vergrößert/verkleinert, so verkleinert/ver­ größert sich im gleichen Maße die Plattenfläche der Kapazi­ täten C2 und C4 und somit die Größe der Kapazitäten C2 und C4. Folglich sind die Gesamtkapazitäten der beiden Paral­ lelschaltungen C1/C2 und C3/C4 unabhängig von einer Varia­ tion der Kondensatorfläche.

Eine Erhöhung der Sensitivität durch Erreichen einer mög­ lichst großen Amplitude der Anregungsschwingung sollte durch spezielle Gestaltung der Geometrie der Interdigital­ kondensatoren erfolgen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Achse der Balkenstruktur zu jedem der auf dem Trägersub­ strat TS fixierten Kammstrukturen FS1, FS2, FS3, FS4 äqui­ distant liegt und die Finger der zu permanenten lateralen Schwingungen angeregten Doppelkammstruktur bei Durchgang durch den Schwingungsnullpunkt gleich weit in die fixierten Kammstrukturen hineinragen.

Um eine große Sensitivität des Drehratensensors zu errei­ chen wird der Umstand ausgenutzt, daß die Änderung einer Kapazität umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Abstan­ des d ist. Es ergeben sich so bei kleinen Abständen d große Änderungen der Kapazität. Der nichtlineare Zusammenhang kann durch die Zusammenschaltung der Parallelschaltungen C1/C2 und C3/C4 zu einer Halbbrücke linearisiert werden. Durch die asymmetrische Elektrodenanordnung werden kleine Abstände d erreicht.

Im Ruhefall liegen die Finger der beiden Doppelkammstruktu­ ren DK nicht symmetrisch in der Mitte der Antriebs-/Detek­ tionselektroden FS1, FS2, FS3, FS4, sondern haben, spiegel­ symmetrisch zur X-Achse, einen kleineren Abstand hin zu der seismischen Masse SM.

Um den schaltungstechnischen Aufwand für die Anregung einer lateralen Schwingung zu minimieren, werden die Doppelkamm­ strukturen DK symmetrisch zur X-Achse angeordnet. Es erge­ ben sich durch die Kombination von symmetrischem Aufbau des Drehratensensors und asymmetrischer Elektrodenanordnung keine resultierenden elektrostatischen Kräfte in Richtung der Y-Achse. Dies wird dadurch erreicht, daß das Sensorele­ ment einen um die in der Ebene des Drehratensensors liegen­ de, zur Achse der Balkenstruktur senkrechte Achse spiegel­ symmetrischen Aufbau besitzt.

Die Verwendung und der Antrieb von zwei Sensorelementen, wie in der Fig. 4 gezeigt, bietet folgende Vorteile.

Die um 180° zueinander phasenverschobene Anregung der zwei gleichen Balkenstrukturen B, DK, SM zu antiparallelen Schwingungsbewegungen bewirkt, daß Schwingungen des Träger­ substrates TS, die, falls sie in der Nähe der Antriebsfre­ quenz liegen, das Meßsignal fälschlich beeinflussen können, in dem Maße, wie die Balkenstrukturen identisch sind und keine Kräfte an den Befestigungen wirken, unterdrückt wer­ den können. Die Antriebsfrequenz der Balkenstruktur ist damit annähernd unabhängig von der Art der Befestigung und bleibt annähernd unbeeinflußt von externen Schwingungen, da diese gleich große entgegengesetzt gerichtete Kräfte auf die zwei Balkenstrukturen aufbringen, die sich in der Aus­ wertung gegenseitig aufheben.

Die Erfassung der Drehrate um die sensitive Z-Achse soll durch mögliche Störgrößen, wie z. B. lineare Beschleunigun­ gen, nicht beeinflußt werden.

Im folgenden wird auf die Herstellung solcher Drehratensen­ soren mittels zweier Verfahren, welche weitgehend durch Mittel wie sie bei der Großintegration vertraut sind, ein­ gegangen.

Man kann die Drehratensensoren mittels Beschichtungsverfah­ ren und Weglösen/Wegätzen einer Opferschicht nach Struktu­ rierung durch fotolithographische Methoden und/oder galva­ nische Beschichtung in mikromechanischer Technik auf einem Substrat als das Schwingungssystem tragenden Träger, z. B. auf einem Halbleitersubstrat oder Halbleiterchip, herstel­ len.

Im folgenden wird die Herstellung in galvanischer Technolo­ gie gemäß Patentanspruch 10 beschrieben.

In einem ersten Schritt wird großflächig zumindest in jenem Bereich, über dem sich das Schwingungssystem befindet, eine Opferschicht erzeugt.

Im einem zweiten Schritt wird dort, wo feststehende Elek­ troden sich befinden, großflächig zumindest in jenem Be­ reich der mit einer Opferschicht bedeckten Substratoberflä­ che, auf der das schwingungsfähige System angebracht werden soll, eine elektrisch leitende Schicht aus Metall aufge­ bracht. Sie dient später zur galvanischen Abscheidung von jenem Material, aus dem das schwingungsfähige System, zu­ mindest große Teile davon, besteht.

In einem folgenden Schritt wird die Leitschicht mit einer Fotoresistschicht bedeckt, deren Dicke angenähert der Dicke des späteren schwingungsfähigen Systems entspricht, wobei im folgenden vierten Schritt in dieser Fotoresistschicht fotolithographisch eine Negativform des schwingungsfähigen Systems - oder Teile von diesem - durch Herauslösen von Fotoresistmaterial bis hin zur Leitschicht erzeugt wird.

Im folgenden fünften Schritt wird die Negativform galva­ nisch mittels entsprechender Spannungen an der Leitschicht mit Metall zumindest weitgehend aufgefüllt.

Im folgenden sechsten Schritt wird die Opferschicht zumin­ dest unterhalb des schwingungsfähigen Systems, sowie die Negativform, zumindest soweit diese unmittelbar neben dem Drehsensor ist, weggelöst/weggeätzt.

Um auf einfache Weise eine Isolation, z. B. zwischen der starr vom Substrat festgehaltenen Halterung des schwin­ gungsfähigen Systems und dem Substrat oder den feststehen­ den Elektroden und dem Substrat, erreichen zu können, kann man vor dem ersten Schritt eine Isolierschicht auf der Substratoberfläche zumindest dort aufbringen, wo später die darüber liegenden, - im allgemeinen elektrisch leitenden - Bestandteile des Drehratensensors angebracht werden sollen.

Durch fotolithographisch in dieser Isolierschicht ange­ brachte Fenster kann man auch jene Stellen gestalten, an denen je nach Bedarf elektrisch leitende Verbindungen zwi­ schen dem Substrat und dem darüber angebrachten Bestandteil hergestellt werden. Im Prinzip können aber diese Beschleu­ nigungssensorteile auch direkt elektrisch mit elektroni­ schen Bauteilen auf der Chipoberfläche verbunden werden.

Der Fertigungsprozeß gemäß Patentanspruch 11, die Herstel­ lung in Siliziumtechnologie des Drehratensensors, wird im folgenden beschrieben:

In einem ersten Schritt wird eine weglösbare/wegätzbare Opferschicht auf dem Substrat aufgebracht.

In einem ersten Schritt wird eine weglösbare/wegätzbare Opferschicht auf dem Substrat aufgebracht, und eine nicht ätzbare Schicht wird an denjenigen Stellen erzeugt an denen die Kammelektroden aufgebracht werden sollen.

In einem zweiten Schritt wird eine Schicht aus Polysilizium angebracht, z. B. mittels chemischer Abscheidung aus der flüssigen Phase (LPCVD). Dieses kann selbst elektrisch leitfähig sein oder es können später elektrisch leitfähige Zuleitungen aufgebracht werden.

In einem dritten Schritt wird durch geeignete anisotrope Ätztechniken die gewünschte Struktur aus der polykristalli­ nen Schicht herausgeätzt.

In einem vierten Schritt wird mittels geeigneter Ätztechni­ ken, z. B. naßchemischem Ätzen, die unter der freigeätzten Polysiliziumschicht sich befindende Opferschicht entfernt.

Um auf einfache Weise eine Isolation, z. B. zwischen der starr vom Substrat festgehaltenen Halterung des schwin­ gungsfähigen Systems und dem Substrat erreichen zu können, kann man vor dem ersten Schritte eine Isolierschicht auf der Substratoberfläche zumindest dort aufbringen, wo später die darüber liegenden, - im allgemeinen elektrisch leiten­ den - Bestandteile des Drehratensensors angebracht werden sollen.

Durch fotolithographisch in dieser Isolierschicht ange­ brachte Fenster kann man auch jene Stellen gestalten, an denen je nach Bedarf elektrisch leitende Verbindungen zwi­ schen dem Substrat und dem darüber angebrachten Bestandteil hergestellt werden. Im Prinzip können aber diese Drehraten­ sensorteile auch direkt elektrisch mit elektronischen Bau­ teilen auf der Chipoberfläche verbunden werden.

Claims (11)

1. Sensoreinheit, mit:

• - mindestens einem in mikromechanischer Technik herge­ stellten Drehratensensor (DS) mit einer Eingangsachse (Z),
• - einem dem Drehratensensor (DS) zugehörigen Träger­ substrat (TS), das zur Aufbringung des Drehratensen­ sors (DS) dient und in dem sich elektronische Bautei­ le zur Auswertung und/oder Antrieb des Drehratensen­ sors (DS) befinden, wobei:
  • - der Drehratensensor eine frei tragende Balken­ struktur (B, DK, SM), bestehend aus einer mit zwei Biegefedern (B) schwingungsfähig gehaltenen Masse (SM) und zwei mit der Masse (SM) starr ver­ bundenen Doppelkammstrukturen (DK), enthält,
  • - die Balkenstruktur (B, DK, SM) an zwei Enden über Befestigungen (E0) auf dem Trägersubstrat (TS) fixiert und über elektrisch leitfähige Bahnen an den Befestigungen (E0) mit dem Trägersubstrat (TS) elektrisch kontaktiert ist, und
  • - der Drehratensensor vier fest mit dem Trägersub­ strat (TS) verbundene Kammelektroden (FS1, FS2, FS3, FS4) mit zugehörigen elektrischen Zuleitun­ gen (E1, E2, E3, E4), die mit den Doppelkamm­ strukturen (DK) Interdigitalkondensatoren bilden, aufweist,
• - Mitteln zur Anregung der Balkenstruktur (B, DK, SM) zu lateralen Schwingungen in der Ebene des Drehraten­ sensors und
• - Mitteln zur Detektion der Drehung des Drehratensen­ sors (DS) um die auf der Ebene des Drehratensensors senkrecht stehende Achse (Z).

2. Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Anregung der lateralen Schwingungen aus elektrostatischen Anregungsmitteln bestehen.

3. Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektionsmittel aus mindestens einem Paar von Interdigitalkondensatoren (C1, C2, C3, C4) be­ stehen.

4. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Balkenstruktur, speziell Biegefedern (B) und die Doppelkammstrukturen (DK) elek­ trisch leitfähige Bahnen besitzen oder selber aus elek­ trisch leitfähigem Material bestehen, um Steuersignale aufzunehmen.

5. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Balkenstruktur zu je­ der der auf dem Trägersubstrat (TS) fixierten Doppel­ kammstrukturen (FS1, FS2, FS3, FS4) äquidistant liegt und die Finger der zu permanenten lateralen Schwingun­ gen angeregten Doppelkammstruktur bei Durchgang durch den Schwingungsnullpunkt gleichweit in die fixierten Kammelektroden (FS1, FS2, FS3, FS4) hineinragen.

6. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehratensensor einen um die in der Ebene des Drehratensensors liegende, zur Achse der Balkenstruktur senkrechte Achse spiegelsymmetrischen Aufbau besitzt.

7. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Finger der Doppelkamm­ strukturen (DK) der Abstand der Finger zu den jeweils zwei benachbarten Fingern der fixierten Kammelektroden (FS1, FS2, FS3, FS4) nicht äquidistant, sondern zu jeweils einem der zwei benach­ barten Finger kleiner als zum anderen Finger ist.

8. Sensoreinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwei Drehratensensoren auf dem Trägersubstrat (TS) befinden, die Achsen ihrer Balkenstrukturen parallel zueinander liegen, sie gemeinsame Befestigungen (E0) besitzen und ihre Anregungsschwingungen um 180° phasenverschoben sind.

9. Sensoreinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (TS) aus Silizium besteht.

10. Verfahren zur fotolithographischen und ätztechnischen Herstellung eines Drehratensensors nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, bestehend aus den folgenden Schritten:

• (1) Erzeugen einer weglösbaren/wegätzbaren Opferschicht auf dem Trägersubstrat (TS) auf derjenigen Fläche, auf der die Balkenstruktur angebracht werden soll,
• (2) Erzeugen einer elektrisch leitenden Leitschicht auf derjenigen Fläche, auf der die Balkenstruktur ange­ bracht werden soll, sowie auf denjenigen Flächen, auf denen die fixierten Doppelkammstrukturen ange­ bracht werden sollen,
• (3) Bedecken der Leitschicht mit einer Fotoresist­ schicht, deren Dicke angenähert der Dicke der Bal­ kenstruktur entspricht,
• (4) Erzeugen einer Negativform des Drehratensensors durch Herauslösen von Material der Fotoresist­ schicht bis hin zur Leitschicht,
• (5) Galvanisches Auffüllen der in die Fotoresistschicht eingebrachten Negativform des Drehratensensor und
• (6) Weglösen/Wegätzen der Opferschicht unterhalb der Balkenstruktur sowie der Fotoresistschicht in der Nähe des Drehratensensors.

11. Verfahren zur fotolithographischen und ätztechnischen Herstellung eines Drehratensensors nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, bestehend aus den folgenden Schrit­ ten:

• (1) Erzeugen einer weglösbaren/wegätzbaren Opferschicht auf dem Trägersubstrat (TS) auf derjenigen Fläche, auf der die Balkenstruktur angebracht werden soll,
• (2) Erzeugen einer nicht ätzbaren Schicht an denjenigen Stellen, an denen die Kammelektroden (FS1, FS2, FS3, FS4) aufgebracht werden sollen,
• (3) Ganzflächiges Aufbringen einer polykristallinen Siliziumschicht,
• (4) Strukturieren der polykristallinen Siliziumschicht gemäß dem Design des Drehratensensors und
• (5) Selektives Wegätzen der Opferschicht unterhalb der Balkenstruktur.