EP1309835A1 - Mikromechanischer drehratensensor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Mikromechanischer drehratensensor und verfahren zu seiner herstellung

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Publication number
EP1309835A1
EP1309835A1 EP01980234A EP01980234A EP1309835A1 EP 1309835 A1 EP1309835 A1 EP 1309835A1 EP 01980234 A EP01980234 A EP 01980234A EP 01980234 A EP01980234 A EP 01980234A EP 1309835 A1 EP1309835 A1 EP 1309835A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotation rate
rate sensor
sensor according
micromechanical rotation
wafer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01980234A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karin Bauer
Tanjo Gleissner
Konrad Lentner
Stefan Sassen
Josef Schalk
Ralf Voss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP1309835A1 publication Critical patent/EP1309835A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49007—Indicating transducer

Definitions

  • the present invention relates to a micromechanical rotation rate sensor according to the preamble of claim 1, and a method for producing a micromechanical rotation rate sensor.
  • Gimbal-suspended, micromechanical rotation rate sensors have e.g. two oscillating frames with a central inertial mass. The mass is brought to resonant vibrations around an excitation axis by an electrostatic drive. When the sensor rotates about an axis of rotation that is perpendicular to the excitation axis, the Coriolis force acts on the oscillating inertial mass. As a result, an oscillation is periodically excited about a readout axis, which is directed perpendicular to the excitation axis and to the axis of rotation. The amplitude of the oscillation thus generated is a direct measure of the yaw rate to be measured. The reading of the amplitude can e.g. electrostatically.
  • Such micromechanical rotation rate sensors can e.g. in automotive engineering, in aerospace engineering, and in exploration and production processes.
  • the rotation rate sensors can be used for vehicle stabilization, for driving dynamics control and for navigation systems or also within systems for autonomous driving.
  • platforms of this type can be stabilized and their position regulated.
  • Navigation systems e.g. GPS / INS are supplemented by such rotation rate sensors, especially in the field of avionics.
  • Drill heads can be controlled with rotation rate sensors.
  • rotation rate sensors are used to control robots.
  • US Pat. No. 4,598,585 describes a yaw rate sensor with a gimbal structure in which a frame is mounted such that it can vibrate about a y-axis. Inside the frame is an element that is vibratable about an x-axis on the Frame is attached. An inertial mass is arranged on the inner element. Drive elements serve to set the frame in vibration around the y-axis. The deflection of the inner element due to the Coriolis force is measured capacitively.
  • the known micromechanical rotation rate sensors have the disadvantage that the measurement accuracy is often inadequate. Very large cross-sensitivities usually also occur. In addition, there is often a high sensitivity to vibrations. In addition, the known yaw rate sensors are usually associated with high manufacturing costs.
  • the object of the invention is therefore to create a micromechanical rotation rate sensor and to provide a method for its production which has a high sensor sensitivity and low cross sensitivity.
  • the rotation rate sensor should be robust, have low sensitivity to mechanical vibrations and be inexpensive to manufacture.
  • micromechanical yaw rate sensor according to claim 1 and the method for producing a micromechanical yaw rate sensor according to claim 22. Further advantageous features, details and aspects of the invention are evident from the dependent claims, the description and the drawings.
  • the micromechanical rotation rate sensor comprises a first oscillating element, which is pivotably mounted about a first axis, a second
  • Vibrating element which is pivotally mounted about a second axis, which is directed perpendicular to the first axis, an excitation unit to set the first vibrating element in vibration about the first axis and a readout unit for detecting vibrations of the second vibrating element about the second axis, wherein at least two additional mass elements are attached to the first oscillating element, which are aligned symmetrically to a plane which is defined by the first and second axes.
  • the symmetrically aligned, additional mass elements result in a significantly higher sensor resolution and sensitivity.
  • the additional masses or additional mass elements can be made extremely large. This results in a wide outsourcing of the center of gravity symmetrically to the axis of rotation, which causes an extreme increase in sensor sensitivity.
  • the symmetrical structure reduces the cross-sensitivity to yaw rates outside the sensitivity axis of the sensor and reduces the sensitivity to acceleration acting on the sensor.
  • the sensor is inexpensive to manufacture and can be designed to be extremely robust.
  • the common center of gravity of the two mass elements advantageously lies at the intersection of the first and second axes. This results in maximum symmetry.
  • the additional mass elements are preferably manufactured separately from the first and / or second oscillating element, in particular the shape, size or material of the mass elements being specifically selected in order to determine the parameters of the sensor.
  • the mass distribution, the total mass and the distribution of the moments of inertia of the sensor can be specifically selected. This results in additional configuration options for optimizing the sensor with regard to resolution, cross-sensitivity, shock sensitivity, reduced influence of manufacturing tolerances, or reduced sensitivity to vibrations.
  • the free choice of materials for the additional mass elements allows additional masses to be formed with special physical properties that are particularly suitable depending on the requirements of the rotation rate sensor.
  • the sensor element can be trimmed by a special choice of the additional masses, without changes or effects having to be made to the other structures or to the etched-out gimbal structure.
  • the additional masses can be manufactured inexpensively with high precision.
  • Balls are particularly preferably used as mass elements, which can be produced inexpensively with a very low geometry tolerance of, for example, 0.1%.
  • the use of balls results in a very high reproducibility of the mass distribution of the rotation rate sensor.
  • Cuboids, cones, pyramids or truncated pyramids and cylinders can also be used as mass elements, which can also be produced very inexpensively and with a low geometry tolerance. It is particularly favorable to arrange the cones or pyramids with their tips aligned with one another. As a result, the focal points of the individual mass elements are outsourced as far as possible or as far apart as possible.
  • the additional mass elements e.g. magnetic properties. This causes a mutual attraction of the additional mass elements so that they align themselves completely symmetrically. Further advantages are the resulting adhesion to the substrate, the possibility of self-calibration, and the
  • the additional mass elements are preferably made of a material that has a higher density than the material of the first and / or the second oscillating element. This leads to a more favorable distribution of the moments of inertia.
  • e.g. Metals, in particular steel are used as material for the additional mass elements, whereas where for the rest of the sensor structure or for the first and second vibrating elements, e.g. Silicon is used.
  • the additional masses are not compatible with the processing steps e.g. must be for a silicon wafer from which the oscillating elements or the oscillatable structure is advantageously produced. This can result in an extreme increase in sensor sensitivity in a very cost-effective manner.
  • the first oscillating element is a rocker and the second oscillating element is a frame, the rocker and the frame forming a cardanic, oscillatable structure, which is fastened in a holding structure.
  • the rotation rate sensor is advantageously produced from at least three joined wafers, which are preferably processed individually.
  • the rotation rate sensor has, for example, a bottom wafer, a middle part wafer and a lid wafer. This results in a reduced complexity in the manufacturing process, as well as the possibility to test the individual components. Furthermore, the yield is increased, which results in reduced costs for the sensors. Furthermore, pit and electrode structures that are inside the sensor after being assembled can be freely designed.
  • the first and the second oscillating element are preferably formed in the central part wafer.
  • the middle part wafer can be processed on the top and bottom. This ensures symmetry with the center plane, since the masses or additional mass elements can be attached symmetrically. The temperature drift of the sensor properties is reduced by the symmetry.
  • the bottom and / or the lid wafer is advantageously made of alkali-containing glass wafers, such as, for example, borofloat or pyrex glass, of which, for example, at least one wafer is provided with an electrode structure. Scattering and crosstalk capacities are thereby reduced, since the electrode structure is located on insulating material.
  • the thermal expansion coefficient is adapted to the silicon of the middle part wafer, which is why the thermal stresses during production can be kept low and which results in a reduced temperature sensitivity of the sensor during operation.
  • the use of alkali-containing glass wafers also enables a reliable connection to the middle part wafer made of silicon by means of an anodic bonding process.
  • the gap distance between the middle part wafer and the bottom wafer or between the middle part wafer and the lid wafer is small in relation to the lateral electrode extension.
  • This distance between adjoining wafers is used for electrostatic excitation and / or for capacitive readout of the actuator and / or sensor oscillation of the oscillating elements.
  • the relationship between the gap distance and the lateral electrode extension is e.g. less than 1:20, preferably less than 1:50, and particularly preferably less than 1: 100 or even 1: 1000. This results in very large capacitance values, which in turn produce high electrical signals for the sensors or large electrostatic forces for the actuators enable.
  • the gap distance for the actuator structure which enables the excitation vibration of the first vibration element, is preferably greater than the gap distance for the sensor structure, which enables the read-out vibration of the second vibration element.
  • the actuator oscillation can take place with a very high mechanical amplitude.
  • the damping of the vibration is lower with a larger gap distance (squeezed film damping), which leads to a higher mechanical amplitude with resonant excitation.
  • the small gap distance in the sensor structure results in a large capacitance and thus a high electrical output signal.
  • the wafer from which the mechanical structure or the first and second oscillating element is etched is advantageously made from single-crystal silicon.
  • the vibratable structure or gimbal structure of the sensor is made, for example, of a full wafer etched, ie manufactured in bulk technology.
  • the structure capable of oscillation comprises, for example, the first and second oscillation elements and is preferably structured out of the middle part wafer.
  • the use of monocrystalline silicon results in a very low material damping and, furthermore, negligible signs of fatigue and aging.
  • the production in silicon technology leads to low
  • silicon has a high mechanical strength with low density, which results in a robust and resilient mechanical structure.
  • the first and / or the second oscillating element is non-rectangular, i.e. the structure capable of vibrating has a non-right-angled geometry or a symmetrical convex free form.
  • the vibrating elements can e.g. be round or have edges that adjoin each other at an angle of more than 90 °.
  • the vibrating elements can be 8-cornered.
  • the torsion frequency is essentially determined by the torsion or rotating band as the suspension itself.
  • the rotary band can thus be shortened considerably and a Z-mode of the sensor that can be set almost independently of the torsion frequency and is directed perpendicular to the wafer plane can be achieved.
  • Non-right-angled geometries can be found in which the torsional natural frequencies of the rocker or the inner vibratable structure and the frame or the outer vibratable structure are the lowest eigenmodes of the structure and all other modes come to lie at significantly higher frequencies. This enables the required frequency spacing between the mechanical interference spectrum, for example in a harsh environment, and the operating and eigenmodes of the sensor to be guaranteed.
  • Coriolis force is generated, the lowest eigenmodes of the vibratable structure, which is formed by the first and the second vibrating element. This results in a high robustness of the mechanical structure against shock loads and mechanical vibrations.
  • the rotation rate signal has a bandwidth of 0 to 100 Hz, for example.
  • Low-frequency interference signals the bandwidth of which is comparable to the bandwidth of the rotation rate, cannot or only very strongly suppresses the sensor behavior due to the position of the natural frequencies of the sensor structure.
  • the area ratio between the second vibrating element and the first vibrating element is greater than 5: 1, preferably greater than 10: 1.
  • This area ratio between the frame, which forms the outer sensor structure or the second vibrating element, and the rocker, which forms the inner actuator structure or the first vibrating element, results in a further increase in the electrical capacity
  • the micromechanical rotation rate sensor preferably has a metallization to form an electrode or electrode structure which is covered with a dielectric layer. This results in passivation, so that the metallization is protected against corrosion. Leakage currents between the insulated electrodes are significantly reduced. Since the metallization in particular only sits on fixed, stationary parts of the sensor, there are hardly any restrictions with regard to the type and the method of passivation.
  • the micromechanical rotation rate sensor advantageously comprises one or more electrodes, which are surrounded by a closed conductor track.
  • the conductor track can be contacted specifically.
  • the corresponding supply lines can also be surrounded by the closed conductor track. This measure reduces the electrical crosstalk between the electrodes for the sensors and / or for the actuators. Since the metallized electrodes e.g. only in the lid and / or bottom wafer and not in this case on the structured middle part, the Guardel electrodes are easy to contact and have less constraints in terms of their geometry and properties than if they had to be attached to the middle part.
  • the micromechanical rotation rate sensor preferably has an ohmic pressure contact for connecting the middle part wafer to the bottom wafer or to a bond pad of the bottom wafer.
  • the lid wafer can also be contacted in this way.
  • the entire structure of the middle part wafer has an electrical potential. This makes it possible for the middle part wafer to be electrically connected via standardized wire bond pads which, for example, have a size of 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m. As a result, the entire connection pads can be located on one level and arranged side by side. This considerably reduces the effort involved in electrically contacting the sensor element with the associated electronics for actuators and sensors.
  • the manufacturing effort of the middle part wafer is significantly reduced. Furthermore, the structure capable of oscillation shows only very low material damping and has no mechanical tension. This also contributes to a reduced temperature dependence of the sensor properties.
  • the sensor interior can be hermetically sealed, e.g. buried conductor tracks for contacting the electrodes in the sensor interior.
  • the connection between the bond pads and the electrode surfaces in the interior of the sensor by means of buried conductor tracks means that the interior of the sensor can be hermetically sealed and can therefore neither become dirty nor corrode or be changed by moisture or other environmental influences.
  • the method according to the invention for producing a micromechanical yaw rate sensor comprises the steps: providing at least three wafers; Structuring the individual wafers, a cardanic, oscillatable structure being formed in one of the wafers; Forming an excitation unit to excite a first vibration of the structure; Forming a readout unit for detecting a second vibration of the structure, which is perpendicular to the first vibration; and joining the wafers, wherein the wafer with the oscillatable structure is connected to a further wafer on both sides.
  • This method makes it possible to arrange extremely large symmetrical additional masses on the oscillatable middle section and thereby achieve a significantly higher sensor resolution.
  • additional mass elements can be attached to the vibratable structure symmetrically to the axis of the first and / or the second vibration.
  • the wafer with the vibratable structure can be processed on its top and bottom.
  • the vibratable structure or gimbal structure of the sensor is etched from a single, full wafer, and the suspension of the mechanical or vibratable structure, which forms the middle part of the sensor, is produced in a single etching step.
  • This achieves a high degree of manufacturing accuracy of the geometric structure or structure capable of vibrating, since e.g. there is no need to adjust several masks to each other.
  • the middle part itself is therefore symmetrical with high accuracy top-bottom. This excludes an essential source for the quadrature error.
  • There is also a free design of the lateral geometry e.g. when using the anisotropic plasma etching technique.
  • a metallization structure is applied to the bottom wafer of the three wafers by means of thin-film technology, which forms, for example, capacitor areas, supply lines and connection pads.
  • thin-film technology forms, for example, capacitor areas, supply lines and connection pads.
  • Thin-film technology enables the production of small structures with reproducible thicknesses, which are necessary for a reproducible gap distance.
  • the conductor track width is 10 ⁇ m
  • the conductor track and electrode thickness is 140 nm
  • the gap distance is, for example, 1.5 ⁇ m.
  • the electrical connection of the sensor element to the actuator and sensor electronics takes place, for example, via standardized wire bond pads. Their size is, for example, 100 ⁇ m x 100 ⁇ m.
  • the rotation rate sensor or the first oscillation element can be excited in a variety of ways, for example electrostatically, piezoelectrically, magnetostrictively or also magnetically or using additional magnetic masses.
  • the rotation rate sensor is provided with electrostatic, piezoelectric, magnetostrictive or also magnetic elements or additional magnetic masses.
  • a control device can be provided which has electronics for regulating and / or forcing the excitation oscillation.
  • the electronics can be designed by appropriate circuits so that the first oscillating element oscillates in its iron frequency.
  • it can also be designed in such a way that the oscillation of the first oscillating element is forced at a specific frequency, which does not have to be the natural frequency.
  • the influence of the readout electrodes for measuring the vibration of the second vibrating element is further minimized.
  • the individual electrodes of a pair of excitation electrodes can be divided and controlled separately by the electronics in order to switch off or compensate for the above-mentioned influence.
  • the readout method can also be implemented in several known ways and in particular e.g. capacitively or optically.
  • the rotation rate sensor is provided with capacitances or optical elements for reading out the vibration of the second vibration element generated by the Coriolis force.
  • FIG. 1 shows a section through a micromechanical rotation rate sensor according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a plan view of the middle part of the rotation rate sensor according to the preferred embodiment
  • Fig. 4 is a section showing the edge region of the sensor with the connection between the middle part and the bottom part.
  • FIG. 1 shows a micromechanical rotation rate sensor 10, which is formed from a cover part 1, a middle part 2 and a bottom part 3. These parts are individually processed wafers that were finally assembled.
  • the middle part 2 forms an oscillatable structure with a first oscillating element 4 and with a second oscillating element 5.
  • the first oscillating element 4 forms a rocker and the second oscillating element 5 forms a frame in which the rocker can be pivoted about a first
  • Axis of rotation A is mounted.
  • the frame or the second oscillating element 5 is mounted within the sensor so as to be pivotable about a second axis of rotation B, which runs perpendicular to the first axis of rotation A in the wafer plane.
  • the additional mass elements 6a, 6b are arranged symmetrically to the central part 2 or to the central part plane, which is formed by the axes of rotation A and B.
  • the additional mass elements 6a and 6b are arranged symmetrically to the axis of rotation A and symmetrically to the axis of rotation B, ie there is symmetry to the two axes of rotation A and B and to the intersection of the two axes of rotation A and B.
  • Electrodes 7 together with a controller (not shown) form an excitation unit in order to set the first vibrating element 4 or the rocker in vibrations about the axis of rotation A.
  • Further electrodes 8 together with electronics (not shown) form a readout unit in order to detect the vibrations of the second vibrating element 5 or the frame about the axis of rotation B. The vibrations are excited and read out electrostatically or capacitively.
  • the middle part 2 has an electrical potential.
  • the gap distances d, e1, e2 serve for electrostatic excitation or for the capacitive readout of the actuator and sensor vibration of the oscillatable structure of the middle part 2.
  • the gap distances d, e 1, e2 are in relation to the lateral extension of the electrode structure or to the lateral extension of the Electrodes 8, which are used to read the vibration of the frame or second vibrating element 5, are very small.
  • the ratio of the gap distance d and the gap distance e2 to the lateral extension of the electrode 8 is approximately 1: 100 or less. This results in very high capacitance values for the sensors or large electrostatic forces for the actuators.
  • the gap distance e 1 between the base part 3 and the first vibrating element 4, which enables the first vibrating element 4 to be tilted or pivoted about the axis of rotation A, is greater than the gap distance e2 between the bottom part 3 and the second vibrating element or frame 5, the the tilting around the axis of rotation B enables.
  • This enables a large mechanical amplitude for resonant excitation, while on the other hand a high electrical output signal is achieved due to the small gap distance in the reading and the associated large capacity.
  • the lid part 1 has at its edge a projection 11 through which it is firmly connected to the edge 21 of the middle part.
  • a projection 11 By the projection 1 1 or the thereby formed, raised compared to the central region of the lid part, an interior 9 is formed within the sensor 10, the two vibrating elements 4, 5 and the vibratable structure enough space to perform the excitation or. Readout vibration offers.
  • the bottom part 3 also has on its surface a protruding connection area or area 31 which is used to connect the
  • Bottom part 3 serves to the middle part 2 and thereby offers space for the vibrations.
  • the base part 3 which can be a base wafer or part of a base wafer, has a greater lateral extent than the other wafer parts or wafers which form the cover part 1 and the middle part 2. In other words, the bottom part 3 has an edge region which extends beyond the edge of the middle part 2 or the cover part 1.
  • Contact surfaces 32 in the form of connection pads are provided on the surface of the base part 3 or of the wafer in the edge region, which serve to contact the metallizations or electrodes 7, 8 in the interior 9 of the sensor.
  • the contact surfaces 32 are connected to the electrodes 7, 8 via conductor tracks 33, the contact surfaces 32, the conductor tracks 33 and the electrodes 7, 8 being formed in one plane on the surface of the base part 3 or lower wafer.
  • the conductor tracks 33 are buried conductor tracks, i.e. they are integrated or incorporated into the wafer. This results in a hermetic or vacuum-tight closure of the interior 9.
  • FIG. 2 shows a top view of the middle part 2, which can be part of a wafer or also an entire wafer, of the rotation rate sensor according to the preferred embodiment.
  • the inner vibrating element 4 or the rocker is connected to the outer vibrating element 5 or frame by means of two opposite, oscillatory or torsional suspensions 41.
  • the oscillating suspension 41 allows the rocker to tilt or swing about the axis A, which extends through the two suspensions 41.
  • the frame or the outer vibrating element 5 is u
  • the vibration-capable suspension 42 of the frame or second vibration element 5 on the holding structure 21 allows the frame to tilt or swing about the axis B, which extends through the two suspensions 42 and is oriented perpendicular to the axis of rotation A of the first vibration element 4.
  • the upper additional mass element 6a is fastened symmetrically in the center of the vibratable structure formed from the rocker and frame and at the same time in
  • the second additional, identically designed mass element 6b is arranged directly below (see FIG. 1).
  • the vibrating elements 4, 5 have edges 4a, 5a, which are not aligned at right angles to one another, but form an angle ⁇ which is greater than 90 ° C.
  • the structure capable of oscillation which consists of the two oscillation elements 4 and 5 has a non-right-angled geometry, by means of which an enlargement of the capacitance areas is achieved with a higher flexural rigidity and thus higher natural frequencies of the frame.
  • the suspension 42 or the hinge of the frame can also be greatly shortened. Overall, the natural frequency spectrum of the mechanical structure can be made more economical due to the non-rectangular geometry. The other advantages of the non-rectangular geometry have already been described above.
  • FIG. 3 shows a top view of a metallization formed on the base part 3.
  • the metallization forms the two flat electrodes 8, which are used for capacitive reading of the vibration of the frame or second vibrating element 5, which is generated due to the Coriolis force when the sensor rotates about a sensitive axis directed perpendicular to the axes of rotation of the vibrating elements 4 and 5 ,
  • the electrodes 7 are not shown here, but are configured similarly.
  • the entire structure of the middle part wafer or middle part 2 has an electrical potential which corresponds to the metallizations or electrodes 7, 8 on the bottom part 2 opposite. As a result, it is not necessary to also apply metallizations to the vibratable structure, which are opposite the electrodes 7, 8 for excitation and for reading (see FIG. 1).
  • Each electrode 7, 8 is completely surrounded by a ring electrode 12, which encloses both the electrode 7, 8 and the conductor track 33 leading to the outside and the external contact surface 32.
  • the ring electrode 12 can be contacted separately via its own contact surface 34 located outside the sensor interior.
  • the ring electrode 12, which forms a conductor track, reduces the electrical crosstalk between the electrodes 7, 8 for sensors and actuators.
  • Figure 4 shows the connection between the middle part 2 and the bottom part 3 in the edge region of the sensor 10 in an enlarged view.
  • the middle part wafer or middle part 2 is connected via an ohmic pressure contact 35 to a bond or connection pad of the bottom wafer 3, which is designed in the form of a contact surface 36 on the bottom part 3.
  • the entire connection pads are on one level and are arranged side by side.
  • the middle part wafer 2 consists of single crystal
  • bottom part 3 and the lid part 2 e.g. from alkali-containing glass wafers, e.g. Borofloat or Pyrex glass. At least one of the wafers is provided with an electrode structure.
  • alkali-containing glass wafers e.g. Borofloat or Pyrex glass.
  • At least one of the wafers is provided with an electrode structure.
  • other materials are also possible for the sensor parts, the choice of material depending on the respective requirements.
  • the mass elements 6a, 6b are steel balls, which are each supported in a bulge on the top and bottom of the rocker or the first oscillating element 4.
  • the steel balls face each other exactly, so that a high geometry is guaranteed.
  • magnetic steel balls are used which align themselves with one another.
  • other shapes and materials are of course also used to design the Mass elements 6a, 6b possible, the sensor parameters being able to be set by suitable selection.
  • excitation methods such as piezoelectric, magnetostrictive, or magnetic excitation methods.
  • the readout method can also be carried out in other known ways, wherein optical readout methods are also possible in addition to capacitive readings.
  • the wafers for the cover part 1 and for the base part 3 are structured in such a way that there are recesses in their center for the mass elements 6a, 6b. are, with enough scope to carry out the vibrations.
  • a central area of the respective wafer surface is also lowered relative to the edge area, so that in this area of the cover and bottom part there is a gap distance to the central part 2, which enables the oscillatable structure of the central part to oscillate.
  • the middle part wafer is processed on the top and bottom so that the symmetry to the middle plane is guaranteed.
  • the vibratable structure of the sensor consisting of frame and rocker, is etched from a full wafer, the suspensions 41, 42 (see FIG. 2) being produced in one etching step.
  • mass elements 6a, 6b are attached to the top and bottom of the wafer, which is provided as the middle part 2, for example by gluing or magnetically.
  • a metallization structure is applied by means of thin-film technology, which forms the electrodes or capacitor surfaces as well as the leads and connection pads.
  • the metallization for passivation is covered with a dielectric layer.
  • the symmetrical sensor effectively avoids sources of error, such as temperature drift in particular, and results in improved measurement results.
  • the symmetrical additional masses on the middle part 2 result in a significantly higher sensor resolution.
  • the highly symmetrical mechanical structure of the sensor leads to high long-term stability and low offset drift. This means that the sensor works stably over the long term and delivers more precise measurement results. It can be subjected to mechanical loads without the measurement results being falsified under such loads.

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Abstract

Ein mikromechanischer Drehratensensor mit einer kardanischen, schwingfähigen Struktur umfasst zwei Schwingelemente (4, 5), die um zwei senkrecht zueinander gerichtete Achsen (A, B) schwenkbar gelagert sind. Eine Anregungseinheit in Form einer Elektrode (7) versetzt das erste Schwingelement (4) in eine Schwingung um die erste Drehachse (A). Eine Ausleseeinheit in Form einer Ausleseelektrode (8) erfasst eine Verkippung bzw. Schwingung des zweiten Schwingelements (5) um die zweite Drehachse (B) als Mass für die Drehrate des Sensors. Auf der Oberseite (2a) und der Unterseite (2b) des ersten Schwingelements (4), die eine Wippe bildet, befinden sich zusätzliche Masseelemente (6a, 6b), die symmetrisch ausgerichtet sind. Der Sensor ist aus mindestens drei einzeln bearbeiteten Wafern hergestellt, die abschliessend zusammengefügt werden und ein Deckelteil (1), ein Mittelteil (2) und ein Bodenteil (3) bilden.

Description

Mikromechanischer Drehratensensor und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drehratensensors.
Kardanisch aufgehängte, mikromechanische Drehratensensoren besitzen z.B. zwei schwingfähige Rahmen mit einer zentralen Inertialmasse. Durch einen elektrostatischen Antrieb wird die Masse zu resonanten Schwingungen um eine Anregungsachse gebracht. Bei einer Rotation des Sensors um eine Drehachse, die senkrecht zur Anregungsachse gerichtet ist, wirkt die Corioliskraft auf die oszilierende Inertialmasse. Dadurch wird periodisch eine Schwingung um eine Ausleseachse angeregt, die senkrecht zur Anregungsachse und zur Drehachse gerichtet ist. Die Amplitude der so erzeugten Oszillation ist ein direktes Maß für die zu messende Drehrate. Die Auslesung der Amplitude kann z.B. elektrostatisch erfolgen.
Derartige mikromechanische Drehratensensoren können z.B. in der Kraftfahrzeugtechnik, in der Luft und Raumfahrttechnik, sowie bei Explorations- und Produktionsverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise können die Drehratensensoren zur Fahrzeugstabilisierung, zur Fahrdynamikregelung und für Navigationssysteme oder auch innerhalb von Systemen für autonomes Fahren eingesetzt werden. Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen in der Flugkörpernavigation und -Stabilisierung. Im Bereich der Raumfahrt können mit derartigen Sensoren Plattformen stabilisiert und in ihrer Lage geregelt werden. Navigationssysteme, wie z.B. GPS/INS, werden durch derartige Drehratensensoren ergänzt, insbesondere im Bereich der Avionik. Bei der Exploration von Rohstoffen können z.B. Bohrkδpfe mit Drehratensensoren gesteuert werden. Bei modernen Produktionstechnologien werden Drehratensensoren zur Steuerung von Robotern eingesetzt.
In dem US Patent Nr. 4,598,585 ist ein Drehratensensor mit einer kardanischen Struktur beschrieben, bei der ein Rahmen schwingungsfähig um eine y-Achse gelagert ist. Innerhalb des Rahmens befindet sich ein Element, das schwingungsfähig um eine x-Achse an dem Rahmen befestigt ist. Auf dem inneren Element ist eine Inertialmasse angeordnet. Antriebselemente dienen dazu, den Rahmen in Schwingungen um die y-Achse zu versetzen. Die Auslenkung des inneren Elements aufgrund der Corioliskraft wird kapazitiv gemessen.
Die bekannten mikromechanischen Drehratensensoren haben jedoch den Nachteil, dass die Messgenauigkeit oft unzureichend ist. Auch treten in der Regel sehr große Querempfindlichkeiten auf. Darüberhinaus ist oftmals auch eine große Empfindlichkeit auf Vibrationen festzustellen. Darüberhinaus sind die bekannten Drehratensensoren meist mit hohen Herstellungskosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen mikromechanischen Drehratensensor zu schaffen und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der eine hohe Sensorempfindlichkeit und geringe Querempfindlichkeit aufweist. Darüberhinaus soll der Drehratensensor robust sein, geringe Empfindlichkeiten gegen mechanische Vibrationen haben und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den mikromechanischen Drehratensensor gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drehratensensors gemäß Patentanspruch 22. Weitere vorteilhafte Merkmale, Details und Aspekte der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
Der erfindungsgemäße mikromechanische Drehratensensor umfaßt ein erstes Schwingelement, das schwenkbar um eine erste Achse gelagert ist, ein zweites
Schwingelement, das schwenkbar um eine zweite Achse gelagert ist, die senkrecht zur ersten Achse gerichtet ist, eine Anregungseinheit, um das erste Schwingelement in Schwingungen um die erste Achse zu versetzen und eine Ausleseeinheit zum Erfassen von Schwingungen des zweiten Schwingelements um die zweite Achse, wobei an dem ersten Schwingelement mindestens zwei zusätzliche Massenelemente befestigt sind, die symmetrisch zu einer Ebene ausgerichtet sind, die durch die erste und zweite Achse definiert ist. Durch die symmetrisch ausgerichteten, zusätzlichen Massenelemente ergibt sich eine deutlich höhere Sensorauflösung und Empfindlichkeit. Dabei können die Zusatzmassen bzw. zusätzlichen Massenelemente extrem groß ausgestaltet sein. Dadurch ergibt sich eine weite Auslagerung der Massenschwerpunkte symmetrisch zur Drehachse, was eine extreme Erhöhung der Sensorempfindlichkeit bewirkt. Der symmetrische Aufbau reduziert die Querempfindlichkeit gegenüber Drehraten ausserhalb der Empfindlichkeitsachse des Sensors und reduziert die Empfindlichkeit gegenüber einer auf den Sensor wirkenden Beschleunigung. Der Sensor ist kostengünstig herstellbar und kann äußerst robust ausgelegt werden.
Vorteilhafterweise liegt der gemeinsame Schwerpunkt der beiden Masseelemente im Schnittpunkt der ersten und zweiten Achse. Dadurch ergibt sich eine maximale Symmetrie.
Bevorzugt sind die zusätzlichen Massenelement getrennt von dem ersten und/oder zweiten Schwingelement gefertigt, wobei insbesondere Form, Größe oder auch Material der Massenelemente gezielt ausgewählt sind, um die Parameter des Sensors festzulegen. Durch die freie Wahl von Form, Größe und Material der Zusatzmassen kann die Masseverteilung, die Gesamtmasse und die Verteilung der Trägheitsmomente des Sensors gezielt gewählt werden. Damit ergeben sich zusätzliche Gestaitungsmöglichkeiten, den Sensor im Hinblick auf Auflösung, Querempfindlichkeit, Schockempfindlichkeit, reduziertem Einfluss von Fertigungstoleranzen, oder auch reduzierter Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen zu optimieren.
Insbesondere können durch die freie Wahl der Materialien für die zusätzlichen Massenelemente Zusatzmassen mit speziellen physikalischen Eigenschaften gebildet werden, die je nach den Anforderungen des Drehratensensors besonders geeignet sind. Weiterhin kann durch spezielle Wahl der Zusatzmassen, das Sensorelement getrimmt werden, ohne dass an den übrigen Strukturen bzw. an der herausgeätzten kardanischen Struktur veränderungen oder Einwirkungen vorgenommen werden müssen. Die Zusatzmassen können kostengünstig mit hoher Präzision hergestellt werden. Besonders bevorzugt werden Kugeln als Massenelemente verwendet, die kostengünstig mit einer sehr geringen Geometrietoleranz von beispielsweise 0, 1% hergestellt werden können. Durch die Verwendung von Kugeln ergibt sich damit eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Masseverteilung des Drehratensensors. Es können aber auch Quader, Kegel, Pyramiden bzw. Pyramidenstümpfe und Zylinder als Massenelemente verwendet werden, die ebenfalls sehr kostengünstig und mit geringer Geometrietoleranz, herstellbar sind. Besonders günstig ist es, die Kegel bzw. Pyramiden mit ihren Spitzen zueinander ausgerichtet anzuordnen. Dadurch sind die Schwerpunkte der einzelnen Masseelemente möglichst weit ausgelagert bzw. möglichst weit voneinander entfernt.
Insbesondere haben die zusätzlichen Massenelemente z.B. magnetische Eigenschaften. Dies bewirkt eine gegenseitige Anziehung der zusätzlichen Massenelemente, so dass sie sich selbst vollständig symmetrisch ausrichten. Weitere Vorteile sind die sich daraus ergebende Haftung am Substrat, die Möglichkeit einer Selbstkalibrierung, sowie die
Möglichkeit einer magnetischen oder elektromagnetischen Anregung zu Schwingungen.
Bevorzugt sind die zusätzlichen Massenelemente aus einem Material gefertigt, das eine höhere Dichte als das Material des ersten und/oder des zweiten Schwingelements hat. Dies führt zu einer günstigeren Verteilung der Massenträgheitsmomente. Dabei können z.B. Metalle, insbesondere Stahl, als Material für die zusätzlichen Massenelemente verwendet werden, wo hingegen für die übrige Sensorstruktur bzw. für das erste und zweite Schwingelement z.B. Silizium verwendet wird. Es besteht also eine freie Materialwahl für die Zusatzmassen, da das Material der Zusatzmassen nicht kompatibel mit den Bearbeitungsschritten z.B. für einen Siliziumwafer sein muss, aus dem die Schwingelemente bzw. die schwingfähige Struktur vorteilhafterweise hergestellt wird. Dadurch kann auf sehr kostengünstige Weise eine extreme Erhöhung der Sensorempfindlichkeit erfolgen.
Beispielsweise ist das erste Schwingelement eine Wippe und das zweite Schwingelement ein Rahmen, wobei die Wippe und der Rahmen eine kardanische, schwingfähige Struktur bilden, die in einer Haltestruktur befestigt ist. Vorteilhafterweise ist der Drehratensensor aus mindestens drei zusammengefügten Wafern hergestellt, die bevorzugt einzeln bearbeitet sind. Dabei hat der Drehratensensor z.B. einen Bodenwafer, einen Mittelteilwafer und einen Deckelwafer. Dadurch ergibt sich eine reduzierte Komplexität beim Herstellungsverfahren, sowie die Möglichkeit, die Einzelkomponenten zu testen. Weiterhin wird die Ausbeute erhöht, wodurch sich für die Sensoren reduzierte Kosten ergeben. Weiterhin lassen sich Gruben- und Elektrodenstrukturen, die sich nach dem Zusammenfügen im Inneren des Sensors befinden, frei gestalten. Darüberhinaus besteht eine größere Auswahlmöglichkeit für Elektrodenmaterial und für das Material der Zusatzmassen, da das Material mit weniger Herstellungsschritten kompatibel sein muss. Die Verwendung von baugleichen Deckel- und Bodenwafem ist möglich. Dies ermöglicht einen zur Mittelebene vollständig symmetrischen Aufbau.
Bevorzugt ist das erste und das zweite Schwingelement in dem Mittelteilwafer ausgebildet. Insbesondere ist der Mittelteilwafer auf der Ober- und Unterseite bearbeitbar. Dadurch ist die Symmetrie zur Mittelebene gewährleistet, da die Massen bzw. zusätzlichen Massenelemente symmetrisch angebracht werden können. Durch die Symmetrie wird die Temperaturdrift der Sensoreigenschaften reduziert.
Vorteilhafterweise ist der Boden- und/oder der Deckelwafer aus alkalihaltigen Glaswafem hergestellt, wie z.B. Borofloat- oder Pyrex-Glas, wovon z.B. mindestens ein Wafer mit einer Elektrodenstruktur versehen ist. Dadurch werden Streu- und Übersprechkapazitäten reduziert, da sich die Elektrodenstruktur auf isolierendem Material befindet. Insbesondere ist z.B. der thermische Ausdehnungskoeffizient an das Silizium des Mittelteilwafers angepasst, weshalb die thermischen Verspannungen während der Herstellung gering gehalten werden können und woraus sich eine reduzierte Temperaturempfindlichkeit des Sensors während des Betriebs ergibt. Die Verwendung alkalihaltiger Glaswafer ermöglicht darüberhinaus eine zuverlässige Verbindung mit dem Mittelteilwafer aus Silizium mittels einem anodischen Bondverfahren. Dadurch, dass die Wafer bzw. der Mittelteilwafer mit dem Bodenwafer und dem Deckelwafer z.B. durch anodisches Bonden verbunden werden, ergibt sich eine zuverlässige Verbindung, die für die Herstellung eine Temperatur von maximal 450°C benötigt. Diese Maximaltemperatur ist niedrig genug, damit geeignet gewählte Metallisierungen nicht verändert werden, d.h., es ergibt sich keine Oxidation und auch keine Bildung von Legierungen. Das anodische Bonden erlaubt eine gute Justage der Wafer zueinander, da während des Bondvorgangs keine flüssige Phase auftritt. Die Justagetoleranz des Drehratensensors ist deshalb zumeist geringer als einige μm.
Vorteilhafterweise befindet sich zwischen dem Mittelteilwafer und dem Bodenwafer bzw. zwischen dem Mittelteilwafer und dem Deckelwafer ein Spaltabstand, der im Verhältnis zur lateralen Elektrodenausdehnung klein ist. Dieser Abstand zwischen aneinandergrenzenden Wafern dient zur elektrostatischen Anregung und/oder zur kapazitiven Auslesung der Aktorik- und/oder Sensorikschwingung der Schwingelemente. Das Verhältnis zwischen dem Spaltabstand und der lateralen Elektrodenausdehnung ist z.B. kleiner als 1 :20, bevorzugt kleiner als 1:50, und insbesondere bevorzugt kleiner als 1:100 oder sogar 1: 1000. Dadurch ergeben sich sehr große Kapazitätswerte, die wiederum hohe elektrische Signale für die Sensorik bzw. große elektrostatische Kräfte für die Aktorik ermöglichen.
Bevorzugt ist der Spaltabstand für die Aktorikstruktur, die die Anregungsschwingung des ersten Schwingelements ermöglicht, größer als der Spaltabstand für die Sensorikstruktur, die die Ausleseschwingung des zweiten Schwingelements ermöglicht. Dadurch kann die Aktorikschwingung mit einer sehr hohen mechanischen Amplitude erfolgen. Darüberhinaus ist die Dämpfung der Schwingung bei größerem Spaltabstand geringer (Squeezed Film Damping), was bei resonanter Anregung zu höherer mechanischer Amplitude führt. Andererseits ergibt sich durch den geringen Spaltabstand bei der Sensorikstruktur eine große Kapazität und damit ein hohes elektrisches Ausgangssignal.
Vorteilhafterweise ist der Wafer, aus dem die mechanische Struktur bzw. das erste und zweite Schwingelement geätzt wird, aus einkristallinem Silizium gefertigt. Dabei ist die schwingungsfähige Struktur bzw. Gimbalstruktur des Sensors z.B. aus einem vollen Wafer geätzt, d.h. in Bulk-Technologie hergestellt. Die schwingungsfähige Struktur umfaßt z.B. das erste und zweite Schwingelement und ist bevorzugt aus dem Mittelteilwafer herausstrukturiert. Durch die Verwendung von einkristallinem Silizium ergibt sich eine sehr geringe Materialdämpfung und weiterhin verschwindend geringe Ermüdungs- und Alterungserscheinungen. Die Fertigung in Siliziumtechnologie führt zu geringen
Fertigungstoleranzen bei gleichzeitig niedrigen Kosten. Darüberhinaus besitzt Silizium eine hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte, woraus eine robuste und belastbare mechanische Struktur resultiert.
Vorteilhafterweise ist das erste und/oder das zweite Schwingelement nicht-rechtwinklig ausgebildet, d.h. die schwingungsfähige Struktur hat eine nichtrechtwinklige Geometrie bzw. eine symmetrische konvexe Freiform. Die Schwingelemente können z.B. rund ausgestaltet sein oder auch Kanten aufweisen, die in einem Winkel von mehr als 90° aneinandergrenzen. Beispielsweise können die Schwingelemente 8-ecki sein.
Insbesondere unter Berücksichtigung großer zusätzlicher Inertialmassen, die die Erhöhung der Empfindlichkeit verursachen, ergibt sich z.B. eine Vergrößerung der Kapazitätsflächen bei gleichzeitig höherer Biegesteifigkeit, und damit höhere Eigenfrequenzen des Rahmens bzw. der äußeren schwingfähigen Struktur.
Damit wird eine hohe Steifigkeit für die Einspannung des Drehbandes des Rahmens bzw. der Torsionsaufhängung erreicht, die mit einer rechtwinkligen Struktur nicht erzielt werden kann. Die Torsionsfrequenz wird wesentlich durch das Torsions- bzw. Drehband als Aufhängung selbst bestimmt. Man kann somit das Drehband stark verkürzen und eine von der Torsionsfrequenz fast unabhängig einstellbare Z-Mode des Sensors, die senkrecht zur Waferebene gerichtet ist, erreichen.
Durch die oben beschriebene Geometrie und durch die besondere Anordnung der Zusatzmassen kann bei vorgegebener Fläche der schwingfähigen Struktur eine besonders hohe Empfindlichkeit bei kleiner Bauweise erreicht werden.
Weiterhin kann das Eigenfrequenzspektrum der mechanischen Struktur durch die nicht -rechtwinklige Geometrie günstiger gestaltet werden. Es lassen sich nichtrechtwinklige Geometrien finden, bei denen die Torsionseigenfrequenzen der Wippe bzw. der inneren schwingfähigen Struktur und des Rahmens bzw. der äußeren schwingfähigen Struktur die niedrigsten Eigenmoden der Struktur sind und alle anderen Moden bei deutlich höheren Frequenzen zu liegen kommen. Damit kann man den benötigten Frequenzabstand zwischen dem mechanischen Störspektrum, beispielsweise in einer rauhen Umgebung, und den Betriebs- und Eigenmoden des Sensors gewährleisten.
Vorteilhafterweise ist die Frequenz der Aktorikschwingung, die durch die Anregungseinheit verursacht wird, und/oder die Frequenz der Sensorikschwingung, die durch die
Corioliskraft erzeugt wird, die niedrigsten Eigenmoden der schwingungsfähigen Struktur, die durch das erste und das zweite Schwingelement gebildet wird. Dadurch ergibt sich insbesondere eine hohe Robustheit der mechanischen Struktur gegenüber Schockbelastungen und mechanischen Vibrationen.
Durch Verwendung mechanischer Dämpfungselemente, beispielsweise mechanischer Tiefpassfilter, beim Aufbau des Sensorelements ist es möglich, das Drehratensignal von höherfrequenten Störsignalen zu trennen. Dabei hat das Drehratensignal beispielsweise eine Bandbreite von 0 bis 100 Hz. Niederfrequente Störsignale, deren Bandbreite vergleichbar ist mit der Bandbreite der Drehrate, können aufgrund der Lage der Eigenfrequenzen der Sensorstruktur nicht oder nur sehr stark unterdrückt das Sensorverhalten beeinflussen. Dabei liegen die Eigenfrequenzen der Sensorstruktur, d.h. die Aktorik- und Sensorikschwingung, bei ca. 10 kHz, während alle anderen Eigenmoden darüberliegen.
Insbesondere ist das Flächenverhältnis zwischen dem zweiten Schwingelement und dem ersten Schwingelement größer als 5:1, bevorzugt größer als 10:1. Durch dieses Flächenverhältnis zwischen dem Rahmen, der die äußere Sensorikstruktur bzw. das zweite Schwingelement bildet, und der Wippe, die die innere Aktorikstruktur bzw. das erste Schwingelement bildet, ergibt sich eine weitere Vergrößerung des elektrischen
Sensorsignals bei gleichzeitig optimaler mechanischer Auslegung der Sensorstruktur bzw. der Lage der Eigenmoden. Weiterhin erfolgt eine weitgehende Entkopplung der Eigenfrequenzen von Wippe und Rahmen. Durch dieses Flächenverhältnis und dem damit einhergehenden Verhältnis der Massenträgheitsmomente ist es möglich, die Eigenfrequenz der Wippe im wesentlichen in Abhängigkeit von der Inertialmasse bzw. der Massenelemente zu bestimmen, und die Eigenfrequenz des Rahmens im wesentlichen in Abhängigkeit von der Rahmengeometrie zu bestimmen. Damit kann ein nahezu unabhängiger Frequenzabgleich erreicht werden, d.h. der Sensor kann auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit getrimmt werden.
Bevorzugt hat der mikromechanische Drehratensensor eine Metallisierung zur Bildung einer Elektrode bzw. Elektrodenstruktur, die mit einer dieelektrischen Schicht bedeckt ist. Dadurch erfolgt eine Passivierung, so dass die Metallisierung vor Korrosion geschützt ist. Leckströme zwischen den isolierten Elektroden werden erheblich reduziert. Da die Metallisierung insbesondere nur auf festen, unbewegten Teilen des Sensors sitzt, gibt es kaum Einschränkungen bezüglich der Art und des Verfahrens der Passivierung.
Vorteilhafterweise umfaßt der mikromechanische Drehratensensor ein oder mehrere Elektroden, die von einer geschlossenen Leiterbahn umgeben sind. Dabei kann die Leiterbahn zum Beispiel eigens kontaktiert werden. Auch die entsprechenden Zuleitungen können von der geschlossenen Leiterbahn umgeben sein. Durch diese Massnahme wird das elektrische Übersprechen zwischen den Elektroden für die Sensorik und/oder für die Aktorik reduziert. Da die metallisierten Elektroden z.B. nur im Deckel und/oder Bodenwafer sitzten und in diesem Fall nicht auf dem strukturierten Mittelteil, sind die Guardelelektroden leicht zu kontaktieren und unterlegen in ihrer Geometrie und Beschaffenheit weniger Randbedingungen, als wenn sie auf dem Mittelteil angebracht werden müssten.
Bevorzugt hat der mikromechanische Drehratensensor einen ohmschen Druckkontakt zum Anschluss des Mittelteilwafers an den Bodenwafer bzw. an ein Bondpad des Bodenwafers. Auch kann der Deckelwafer auf diese Weise kontaktiert werden. Auf dem Mittelteilwafer selbst befindet sich bevorzugt keine Metallisierung. Insbesondere besitzt die gesamte Struktur des Mittelteilwafers ein elektrisches Potential. Dadurch ist es möglich, dass der elektrische Anschluss des Mittelteilwafers über standardisierte Drahtbondpads erfolgt, die beispielsweise eine Größe von 100μm x 100μm aufweisen. Dadurch können sich die gesamten Anschlußpads auf einer Ebene befinden und nebeneinander liegend angeordnet werden. Dies reduziert erheblich den Aufwand beim elektrischen Kontaktieren des Sensorelements mit der zugehörigen Elektronik für Aktorik und Sensorik.
Durch das Fehlen einer Metallisierung auf dem Mittelteilwafer wird der Herstellungsaufwand des Mittelteilwafers deutlich reduziert. Weiterhin zeigt die schwingungsfähige Struktur eine nur sehr geringe Materialdämpfung und weist keine mechanischen Verspannungen auf. Dies trägt noch zusätzlich zu einer reduzierten Temperaturabhängigkeit der Sensoreigenschaften bei.
Der Sensorinnenraum kann hermetisch verschlossen sein, wobei z.B. vergrabene Leiterbahnen zur Kontaktierung der Elektroden im Sensorinnenraum dienen. Durch die Verbindung zwischen den Bondpads und den Elektrodenflächen im Sensorinneren mittels vergrabenen Leiterbahnen kann das Sensorinnere hermetisch verschlossen werden und kann somit weder verschmutzen, noch korrodieren oder durch Feuchtigkeit oder andere Umwelteinflüsse verändert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drehratensensors umfaßt die Schritte: Bereitstellen von mindestens drei Wafern; Strukturieren der einzelnen Wafer, wobei in einem der Wafer eine kardanische, schwingfähige Struktur ausgebildet wird; Ausbilden einer Anregungseinheit zum Anregen einer ersten Schwingung der Struktur; Ausbilden einer Ausleseeinheit zum Erfassen einer zweiten Schwingung der Struktur, die senkrecht zur ersten Schwingung erfolgt; und Zusammenfügen der Wafer, wobei der Wafer mit der schwingfähigen Struktur auf beiden Seiten mit einem weiteren Wafer verbunden wird. Durch dieses Verfahren ist es möglich, extrem große symmetrische Zusatzmassen auf dem schwingfähigen Mittelteil anzuordnen und dadurch eine deutlich höhere Sensorauflösung zu erreichen. Die weiteren Vorteile, die sich aus der Herstellung des Drehratensensors aus mindestens drei einzeln bearbeiteten Wafern ergeben, die abschließend zusammengefügt werden, wurden oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drehratensensor beschrieben.
Insbesondere können an der schwingfähigen Struktur zusätzliche Massenelemente symmetrisch zur Achse der ersten und/oder der zweiten Schwingung befestigt werden. Weiterhin kann der Wafer mit der schwingfähigen Struktur auf seiner Ober- und Unterseite bearbeitet werden.
Vorteilhafterweise wird die schwingfähige Struktur bzw. Gimbal-Struktur des Sensors aus einem einzigen, vollen Wafer geätzt und die Aufhängung der mechanischen bzw. schwingfähigen Struktur, die das Mittelteil des Sensors bildet, wird in einem einzigen Ätzschritt hergestellt. Dadurch wird eine hohe Fertigungsgenauigkeit der geometrischen Struktur bzw. schwingungsfähigen Struktur erreicht, da z.B. nicht mehrere Masken zueinander justiert werden müssen. Auch ist es möglich, die Strukturierung des Siliziums mit Flanken senkrecht zur Waferebene durchzuführen. Das Mittelteil selbst ist daher mit , hoher Genauigkeit oben-unten-symmetrisch. Damit wird eine wesentliche Quelle für den Quadraturfehler bzw. "quadrature error" ausgeschlossen. Es ergibt sich weiterhin eine freie Gestaltbarkeit der lateralen Geometrie, z.B. bei Verwendung der anisotropen Plasmaätztechnik.
VorteilhafteYweise wird auf den Bodenwafer der drei Wafer eine Metallisierungsstruktur mittels Dünnschichttechnologie aufgebracht, die z.B. Kondensatorflächen, Zuleitungen und Anschlußpads bildet. Dadurch wird der Herstellungsaufwand reduziert, da die vollständige Metallisierung sich nur auf einem Wafer befindet. Die Dünnschichttechnologie ermöglicht die Herstellung kleiner Strukturen mit reproduzierbaren Dicken, die für einen reproduzierbaren Spaltabstand notwendig sind. Beispielsweise beträgt die Leiterbahnbreite 10μm, die Leiterbahn- und Elektrodendicke 140nm und der Spaltabstand beispielsweise 1 ,5μm. Der elektrische Anschluß des Sensorelements an die Aktorik- und Sensorikelektronik erfolgt beispielsweise über standardisierte Drahtbondpads. Deren Größe beträgt z.B. 100μm x 100μm. Die Anregung des Drehratensensors bzw. des ersten Schwingelements kann auf vielfältige Weise, z.B. elektrostatisch, piezoelektrisch, magnetostriktiv oder auch magnetisch bzw. unter Verwendung von magnetischen Zusatzmassen erfolgen. In diesem Fall ist der Drehratensensor mit elektrostatischen, piezoelektrischen, magnetostriktiven oder auch magnetischen Elementen bzw. magnetischen Zusatzmassen versehen.
Zusätzlich kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die eine Elektronik zur Regelung und/oder zum Erzwingen der Anregungsschwingung aufweist. Die Elektronik kann durch entsprechende Schaltungen so ausgelegt sein, daß das erste Schwingerement in seiner Eisenfrequenz schwingt. Sie kann aber auch so ausgelegt sein, daß die Schwingung des ersten Schwingelements mit einer bestimmten Frequenz, die nicht die Eigenfrequenz sein muß, erzwungen wird. Dies hat den besonderen Vorteil, daß die Ausleseelektroden zur Messung der Schwingung des zweiten Schwingelements nicht die Funktion des Sensors beeinträchtigen bzw. die Meßergebnisse verfälschen, selbst wenn sie sehr nahe an den Elektroden zur Anregung des ersten Schwingelements angeordnet sind und/oder eine freie Schwingung des ersten .Schwingelements beeinflussen würden.
Durch Wahl einer geeigneten Elektrodenform der Anregungselektroden wird der Einfluß der Ausleseelektroden zur Messung der Schwingung des zweiten Schwingelements weiter minimiert. Beispielsweise können die einzelnen Elektroden eines Paares von Anregungselektroden geteilt sein und durch die Elektronik separat angesteuert werden um den oben genannten Einfluß auszuschalten bzw. zu kompensieren.
Das Ausleseverfahren kann ebenfalls auf mehrere bekannte Arten realisiert sein und insbesondere z.B. kapazitiv oder auch optisch erfolgen. In diesem Fall ist der Drehratensensor mit kapazitäten oder optischen Elementen zur Auslesung der durch die Corioliskraft erzeugten Schwingung des zweiten Schwingelements versehen.
Im Betrieb sind kontinuierliche Selbsttest- und Selbstkalibrierungsfunktionen möglich. Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen mikromechanischen Drehratensensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Mittelteil des Drehratensensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Elektrodenstruktur des Drehratensensors; und
Fig. 4 einen Schnitt, der den Randbereich des Sensors mit der Verbindung zwischen Mittelteil und Bodenteil darstellt.
Figur 1 zeigt einen mikromechanischen Drehratensensor 10, der aus einem Deckelteil 1, einem Mittelteil 2 und einem Bodenteil 3 gebildet ist. Diese Teile sind einzeln bearbeitete Wafer, die abschließend zusammengefügt wurden. Das Mittelteil 2 bildet eine schwingfähige Struktur mit einem ersten Schwingelement 4 und mit einem zweiten Schwingelement 5. Das erste Schwingelement 4 bildet eine Wippe und das zweite Schwingelement 5 bildet einen Rahmen, in dem die Wippe schwenkbar um eine erste
Drehachse A gelagert ist. Der Rahmen bzw. das zweite Schwingelement 5 ist innerhalb des Sensors schwenkbar um eine zweite Drehachse B gelagert, die in Waferebene senkrecht zur ersten Drehachse A verläuft. Auf der Oberseite 2a und auf der Unterseite 2b des Mittelteils 2 bzw. des ersten Schwingelements 4 befindet sich jeweils ein zusätzliches Masseelement 6a, 6b. Die zusätzlichen Masseelemente 6a, 6b sind symmetrisch zum Mittelteil 2 bzw. zur Mittelteilebene, die durch die Drehachsen A und B gebildet wird, angeordnet. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform sind die zusätzlichen Masseelemente 6a und 6b symmetrisch zur Drehachse A und symmetrisch zur Drehachse B angeordnet, d.h es liegt Symmetrie zu den beiden Drehachsen A und B und zum Schnittpunkt der beiden Drehachsen A und B vor. Elektroden 7 bilden zusammen mit einer nicht dargestellten Steuerung eine Anregungseinheit, um das erste Schwingelement 4 bzw. die Wippe in Schwingungen um die Drehachse A zu versetzen. Weitere Elektroden 8 bilden zusammen mit einer nicht dargestellten Elektronik eine Ausleseeinheit, um die Schwingungen des zweiten Schwingelements 5 bzw. des Rahmens um die Drehachse B zu erfassen. Die Anregung und die Auslesung der Schwingungen erfolgt elektrostatisch bzw. kapazitiv. Hierzu hat das Mittelteil 2 ein elektrisches Potential.
Im Deckelteil 1 und im Bodenteil 3 sind Aussparungen 1a bzw. 3a vorgesehen, in die jeweils ein Masseelement 6a bzw. 6b hineinragt. Dabei besteht zwischen den
Masseelementen 6a, 6b und der jeweils angrenzenden Struktur des Deckelteils 1 bzw. Bodenteils 3 ein Spielraum bzw. Abstand, der ein hin- und herschwingen des mit der Wippe verbundenen Masseelements 6a, 6b innerhalb der Aussparung 1a bzw. 3a ermöglicht.
Zwischen dem Deckelteil 1 und dem Mittelteil 2 befindet sich ein Spaltabstand d und zwischen dem Mittelteil 2 und dem Bodenteil 3 befindet sich ebenfalls ein Spaltabstand el, e2. Die Spaltabstände d, e1, e2 dienen zur elektrostatischen Anregung bzw. zur kapazitiven Auslesung der Aktorik- und Sensorikschwingung der schwingfähigen Struktur des Mittelteils 2. Die Spaltabstände d, e 1, e2 sind im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung der Elektrodenstruktur bzw. zur lateralen Ausdehnung der Elektroden 8, die zur Auslesung der Schwingung des Rahmens bzw. zweiten Schwingelements 5 dienen, sehr klein. Das Verhältnis des Spaltabstands d und des Spaltabstands e2 zur lateralen Ausdehnung der Elektrode 8 ist ca. 1 : 100 oder kleiner. Dadurch ergeben sich sehr hohe Kapazitätswerte für die Sensorik bzw. große elektrostatische Kräfte für die Aktorik.
Der Spaltabstand e 1 zwischen dem Bodenteil 3 und dem ersten Schwingelement 4, der das Verkippen bzw. Schwingen des ersten Schwingelements 4 um die Drehachse A ermöglicht, ist größer als der Spaltabstand e2 zwischen dem Bodenteil 3 und dem zweiten Schwingelement bzw. Rahmen 5, der das Verkippen um die Drehachse B ermöglicht. Dadurch wird eine große mechanische Amplitude bei der resonanten Anregung möglich, während andererseits durch den geringen Spaltabstand bei der Auslesung und die damit verbundene große Kapazität ein hohes elektrisches Ausgangssignal erzielt wird.
Das Deckelteil 1 weist an seinem Rand einen Vorsprung 1 1 auf, durch den es mit dem Rand 21 des Mittelteils fest verbunden ist. Durch den Vorsprung 1 1 bzw. den dadurch gebildeten, gegenüber dem zentralen Bereich des Deckelteils erhabenen Rand wird innerhalb des Sensors 10 ein Innenraum 9 gebildet, der den beiden Schwingelementen 4, 5 bzw. der schwingungsfähigen Struktur genügend Raum zum Ausführen der Anregungsbzw. Ausleseschwingung bietet. Auch das Bodenteil 3 weist an seiner Oberfläche einen hervorstehenden Verbindungsbereich bzw. Bereich 31 auf, der zur Anbindung des
Bodenteils 3 an das Mittelteil 2 dient und dadurch Raum für die Schwingungen bietet.
Das Bodenteil 3, das ein Bodenwafer oder ein Teil eines Bodenwafers sein kann, hat eine größere laterale Ausdehnung als die übrigen Waferteile bzw. Wafer, die das Deckelteil 1 und das Mittelteil 2 bilden. D. h., das Bodenteil 3 hat einen Randbereich, der sich über den Rand des Mittelteils 2 bzw. des Deckelteils 1 hinaus erstreckt. Auf der Oberfläche des Bodenteils 3 bzw. des Wafers im Randbereich sind Kontaktflächen 32 in Form von Anschlußpads vorgesehen, die zur Kontaktierung der Metallisierungen bzw. Elektroden 7, 8 im Innenraum 9 des Sensors dienen. Die Kontaktflächen 32 sind über Leiterbahnen 33 mit den Elektroden 7, 8 verbunden, wobei die Kontaktflächen 32, die Leiterbahnen 33 und die Elektroden 7, 8 in einer Ebene auf der Oberfläche des Bodenteils 3 bzw. unteren Wafers ausgebildet sind. Die Leiterbahnen 33 sind vergrabene Leiterbahnen, d.h. sie sind in dem Wafer integriert bzw. eingearbeitet. Dadurch erfolgt ein hermetischer bzw. vakuumdichter Verschluss des Innenraums 9.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Mittelteil 2, das Teil eines Wafers oder auch ein ganzer Wafers sein kann, des Drehratensensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform. Das innere Schwingelement 4 bzw. die Wippe ist über zwei gegenüberliegende, schwingungsfähige bzw. torsionsfähige Aufhängungen 41 mit dem äußeren Schwingelement 5 bzw. Rahmen verbunden. Die schwingungsfähige Aufhängung 41 erlaubt ein Verkippen bzw. Schwingen der Wippe um die Achse A, die sich durch die beiden Aufhängungen 41 erstreckt. Der Rahmen bzw. das äußere Schwingelement 5 ist u
durch schwingungsfähige bzw. torsionsfähige Aufhängungen 42 mit dem restlichen Teil des Wafers bzw. Mittelteils 2 verbunden, der eine Haltestruktur 21 bildet, die zwischen dem Deckelteil 1 und dem Bodenteil 3 des Wafers fixiert ist. Die schwingungsfähige Aufhängung 42 des Rahmens bzw. zweiten Schwingelements 5 an der Haltestruktur 21 erlaubt ein Kippen bzw. Schwingen des Rahmens um die Achse B die sich durch die beiden Aufhängungen 42 erstreckt und senkrecht zur Drehachse A des ersten Schwingelements 4 ausgerichtet ist.
Das obere zusätzliche Masseelement 6a ist symmetrisch im Zentrum der aus Wippe und Rahmen gebildeten schwingungsfähigen Struktur befestigt und dabei gleichzeitig im
Zentrum der Wippe bzw. des ersten Schwingelements 4 angeordnet. Direkt unterhalb ist das zweite zusätzliche, identisch ausgebildete Massenelement 6b angeordnet (s. Fig. 1).
Die Schwingelemente 4, 5 weisen Kanten 4a, 5a auf, die nicht rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind, sondern einen Winkel α bilden, der größer ist als 90 °C. D.h., die schwingfähige Struktur, die aus den beiden Schwingelementen 4 und 5 besteht, hat eine nicht-rechtwinklige Geometrie, durch die eine Vergrößerung der Kapazitätsflächen bei gleichzeitig höherer Biegesteifigkeit, und damit höheren Eigenfrequenzen des Rahmens erzielt wird. Auch kann die Aufhängung 42 bzw. das Drehband des Rahmens stark verkürzt werden. Insgesamt kann das Eigenfrequenzspektrum der mechanischen Struktur durch die nicht-rechtwinklige Geometrie günstiger gestaltet werden. Die weiteren Vorteile der nichtrechtwinkligen Geometrie wurden oben bereits beschrieben.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine auf dem Bodenteil 3 ausgebildete Metallisierung. Die Metallisierung bildet die zwei flächig ausgestaltete Elektroden 8, die zur kapazitiven Auslesung der Schwingung des Rahmens bzw. zweiten Schwingelements 5 dienen, die aufgrund der Corioliskraft bei einer Drehung des Sensors um eine senkrecht zu den Drehachsen der Schwingelemente 4 und 5 gerichtete sensitive Achse erzeugt wird. Die Elektroden 7 sind hier nicht dargestellt, jedoch ähnlich ausgestaltet.
Die gesamte Struktur des Mittelteilwafers bzw. Mittelteils 2 besitzt ein elektrisches Potential, das den Metallisierungen bzw. Elektroden 7, 8 auf dem Bodenteil 2 gegenüberliegt. Dadurch ist es nicht notwendig, an der schwingfähigen Struktur ebenfalls Metallisierungen anzubringen, die den Elektroden 7, 8 zur Anregung und zur Auslesung gegenüberliegen (s. Fig. 1).
Jede Elektrode 7, 8 ist vollständig von einer Ringelektrode 12 umgeben, die sowohl die Elektrode 7, 8, als auch die nach außen führende Leiterbahn 33 und die außeniiegende Kontaktfläche 32 umschließt. Die Ringelektrode 12 ist dabei über eine eigene, außerhalb des Sensorinnenraums gelegene Kontaktfläche 34 separat kontaktierbar. Die Ringelektrode 12, die eine Leiterbahn bildet, reduziert das elektrische Übersprechen zwischen den Elektroden 7, 8 für Sensorik und Aktorik.
Figur 4 zeigt die Verbindung zwischen Mittelteil 2 und Bodenteil 3 im Randbereich des Sensors 10 in vergrößerter Darstellung. Dabei ist der Mittelteilwafer bzw. das Mittelteil 2 über einen ohmschen Druckkontakt 35 an ein Bond- bzw. Anschlußpad des Bodenwafers 3 angeschlossen, das in Form einer Kontaktfläche 36 auf dem Bodenteil 3 ausgebildet ist. Die gesamten Anschlußpads befinden sich auf einer Ebene und sind nebeneinanderliegend angeordnet. Dadurch können sowohl die Elektroden 7, 8 als auch der Mittelteilwafer 2 auf einfache Weise und mit deutlich reduziertem Aufwand elektrisch kontaktiert werden.
Der Mittelteilwafer 2 besteht in der bevorzugten Ausführungsform aus einkristllinem
Silizium, während das Bodenteil 3 und das Deckelteil 2 z.B. aus alkalihaltigen Glaswafem, wie z.B. Borofloat- oder Pyrex-Glas, hergestellt sind. Mindestens einer der Wafer ist mit einer Elektrodenstruktur versehen. Selbstverständlich sind auch andere Materialien für die Sensorteile möglich, wobei sich die Materialawahl nach den jeweiligen Erfordernissen richtet.
Die Masseelemente 6a, 6b sind im vorliegenden Fall Stahlkugeln, die jeweils in einer Ausbuchtung auf der Ober- und Unterseite der Wippe bzw. des ersten Schwingelements 4 gelagert sind. Dabei liegen sich die Stahlkugeln genau gegenüber, so dass eine hohe Geometrie gewährleistet ist. In einer besonderen Ausführungsform werden magnetische Stahlkugeln verwendet, die sich selbst gegenseitig ausrichten. Neben Stahlkugeln sind selbstverständlich auch andere Formen und Materialien zur Ausgestaltung der Masseelemente 6a, 6b möglich, wobei die Sensorparameter durch geeignet Auswahl eingestellt werden können.
Neben einer elektrostatischen Anregungseinheit sind die verschiedensten Anregungsverfahren möglich, wie z.B. piezoelektrische, magnetostriktive, oder auch magnetische Anregungsverfahren. Auch das Ausleseverfahren kann auf andere bekannte Arten erfolgen, wobei neben kapazitiven Auslesungen auch optische Auslesungsverfahren möglich sind.
Nachfolgend wird ein Beispiel für die Herstellung des Sensors 10 beschrieben.
Zur Herstellung des Sensors werden drei Wafer einzeln bearbeitet, die das Deckelteil 1, das Mittelteil 2 und das Bodenteil 3 bilden. Die Wafer für das Deckelteil 1 und für das Bodenteil 3 werden so strukturiert, dass in ihrem Zentrum Ausnehmungen für die Masseelemente 6a, 6b vorhanden. sind, wobei sich genügend Spielraum zum Ausführen der Schwingungen bietet. Auch wird ein zentraler Bereich der jeweiligen Waferoberfläche gegenüber dem Randbereich abgesenkt, so dass sich in diesem Bereich des Deckel- und Bodenteils jeweils ein Spaltabstand zum Mittelteil 2 ergibt, der das Schwingen der schwingfähigen Struktur des Mittelteils ermöglicht.
Der Mittelteilwafer wird auf der Ober- und Unterseite bearbeitet, so dass die Symmetrie zur Mittelebene gewährleistet ist. Dabei wird die schwingungsfähige Struktur des Sensors, bestehend aus Rahmen und Wippe, aus einem vollen Wafer geätzt, wobei die Aufhängungen 41, 42 (siehe Figur 2) in einem Ätzschritt hergestellt werden.
Nun werden die Masseelemente 6a, 6b auf der Oberseite und der Unterseite des Wafers, der als Mittelteil 2 vorgesehen ist, befestigt, beispielsweise durch Kleben oder magnetisch.
Auf dem Wafer, der für das Bodenteil 3 vorgesehen ist, wird eine Metalllisierungsstruktur mittels Dünnschichttechnologie aufgebracht, die die Elektroden bzw. Kondensatorflächen sowie die Zuleitungen und Anschlußpads bildet. Dabei wird die Metallisierung zur Passivierung mit einer dieelektrischen Schicht bedeckt. Nach der seperaten Vorfertigung der drei Wafer bzw. Sensorteile werden diese zusammengefügt und fest miteinander verbunden. Dabei werden geeignete Vorkehrungen getroffen, dass sich im Innenraum 9 des Sensors ein Vakuum befindet.
Durch den symmetrischen Sensor werden Fehlerquellen, wie insbesondere eine Temperaturdrift wirksam vermieden und es ergeben sich verbesserte Messergebnisse. Die symmetrischen Zusatzmassen auf dem Mittelteil 2 ergeben eine deutlich höhere Sensorauflösung. Der hochsymmetrische mechanische Aufbau des Sensors führt zu einer hohen LangzeitstabiUtät bzw. geringen Offset-Drift. Das heißt, der Sensor arbeitet langfristig stabil und liefert genauere Messergebnisse. Er ist mechanisch belastbar, ohne dass bei derartigen Belastungen die Messergebnisse verfälscht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanischer Drehratensensor, mit einem ersten Schwingelement (4), das schwenkbar um eine erste Achse (A) gelagert ist, einem zweiten Schwingelement (5), das schwenkbar um eine zweite Achse (B) gelagert ist, die senkrecht zur ersten Achse (A) gerichtet ist, einer Anregungseinheit (7), um das erste Schwingelement (6) in Schwingungen um die erste Achse (A) zu versetzen, und einer Ausleseeinheit (8) zum Erfassen von Schwingungen des zweiten
Schwingelements (5) um die zweite Achse (B), dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Schwingelement (4) mindestens zwei zusätzliche Masseelemente (6a, 6b) befestigt sind, die symmetrisch zu einer Ebene ausgerichtet sind, die durch die erste und zweite Achse (A,B) definiert ist.
2. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Masseelemente (6a, 6b) getrennt von dem ersten und zweiten Schwingelement (4, 5) gefertigt sind, wobei Form, Größe und/oder
Material der Masseelemente (6a, 6b) ausgewählt sind um Sensorparameter zu bestimmen und/oder wesentlich zu beeinflussen.
3. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelemente (6a, 6b) achsialsymmetrische Körper sind, die auf der Oberseite (2a) und der Unterseite (2b) des ersten Schwingelements (4) befestigt sind, wobei die Masseelemente bevorzugt Kugeln, Quader, Zylinder, Kegel, Pyramiden oder Prismen sind.
4. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schwingelement (4) eine Wippe und das zweite Schwingelement (5) ein Rahmen ist, wobei die Wippe und der Rahmen eine kardanische, schwingfähige Struktur bilden, die in einer Haltestruktur (21) befestigt ist.
5. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Masseelemente (6a, ob) magnetisch sind.
6. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Masseelemente (6a, 6b) aus einem Material gefertigt sind, das eine höhere Dichte als das Material des ersten und zweiten Schwingelements (4, 5) hat.
7. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens drei zusammengefügten Wafern hergestellt ist, die ein Bodenteil (3), ein Mittelteil (2) und ein Deckelteil (1) bilden.
8. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenteil (3) und/oder das Deckelteil (1) aus alkalihaltigen Glaswafern hergestellt sind, wobei mindestens einer der Wafer mit einer Elektrodenstruktur (7, 8) versehen ist.
9. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Schwingelement (4, 5) in dem Mittelteil (2) ausgebildet sind, dessen Oberseite und Unterseite bearbeitet ist.
10. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltabstand (d, e1, e2) zwischen aneinandergrenzenden Waferteilen oder Wafern, der eine Auslenkung des ersten und/oder zweiten Schwingelements (4, 5) ermöglicht, klein gegenüber der lateralen Ausdehnung von Anregungs- und/oder Ausleseelektroden (7, 8) ist, wobei das Verhältnis zwischen Spaltabstand und lateraler Elektrodenausdehnung kleiner als 1 : 10 ist, bevorzugt kleiner als 1 :50, insbesondere bevorzugt kleiner als 1 : 100 oder 1 :1000.
1 1. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltabstand (e1) für eine Anregungsschwingung des ersten Schwingelements (4) größer ist als ein Spaltabstand (e2) für eine
Ausleseschwingung des zweiten Schwingelements (5).
12. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einkristallinem Silizium hergestellt ist, wobei das erste und das zweite Schwingelement (4, 5) aus einem einzigen Wafer gefertigt sind.
13. ' Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Schwingelement (4, 5) nicht-rechtwinklig ausgebildet ist.
14. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Schwingelement (4, 5) Kanten (4a, 5a) aufweist, die in einem Winkel von mehr als 90 Grad aneinandergrenzen.
15. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz einer Aktorikschwingung und die Frequenz der Sensorikschwingung die niedrigsten Eigenmoden des ersten und/oder zweiten Schwingelements (4, 5) sind.
16. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenverhältnis zwischen dem zweiten Schwingelement (5) und dem ersten Schwingelement (4) größer ist als 5: 1, bevorzugt größer ist als 10: 1.
17. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Metallisierung zur Bildung einer Elektrode (7, 8), die mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist.
18. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Elektroden (7, 8), die von einer geschlossenen Leiterbahn (12) umgeben ist.
19. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ohmschen Druckkontakt (35) zum Anschluß eines
Wafers, der ein Mittelteil (2) bildet, an einen weiteren Wafer, der ein Boden- oder Deckelteil (1, 3) bildet.
20. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sensorinnenraum (9), der hermetisch verschlossen ist, wobei vergrabene Leiterbahnen (33) zur Kontaktierung von Elektroden (7, 8) im Sensorinnenraum (9) vorgesehen sind..
21. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Schwerpunkt der Masseelemente
(6a, 6b) im Schnittpunkt der ersten Achse (A) und der zweiten Achse (B) liegen.
22. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drehratensensors, gekennzeichnet durch die Schritte: Bereitstellen von mindestens 3 Wafern (1, 2, 3);
Strukturieren der einzelnen Wafer (1, 2, 3), wobei in einem der Wafer (2) eine kardanische, schwingfähige Struktur (4, 5) ausgebildet wird;
Ausbilden einer Anregungseinheit (7) zum Anregen einer ersten Schwingung der
Struktur; Ausbilden einer Ausleseeinheit (8) zum Erfassen einer zweiten Schwingung der
Struktur, die senkrecht zur ersten Schwingung erfolgt; und Zusammenfügen der Wafer (1, 2, 3), wobei 'der Wafer (2) mit der schwingfähigen Struktur (4, 5) auf beiden Seiten mit einem weiteren Wafer (1, 3) verbunden wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß an der schwingfähigen Struktur (4, 5) zusätzliche Masseelemente (6a, 6b) symmetrisch zur Achse (A, B) der ersten und/oder zweiten Schwingung befestigt werden.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (2) mit der schwingfähigen Struktur (4, 5) auf seiner Ober- und Unterseite bearbeitet wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingfähige Struktur (4, 5) aus einem einzigen, vollen Wafer (2) geätzt wird, wobei Aufhängungen (41, 42) der schwingfähigen Struktur (4, 5) in einem einzigen Ätzschritt hergestellt werden.
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