EP1346192A1 - Mikromechanischer inertialsensor - Google Patents

Mikromechanischer inertialsensor

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Publication number
EP1346192A1
EP1346192A1 EP01998153A EP01998153A EP1346192A1 EP 1346192 A1 EP1346192 A1 EP 1346192A1 EP 01998153 A EP01998153 A EP 01998153A EP 01998153 A EP01998153 A EP 01998153A EP 1346192 A1 EP1346192 A1 EP 1346192A1
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EP
European Patent Office
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wafer
plate
inertial sensor
axis
sensor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01998153A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad Lentner
Stefan Sassen
Josef Schalk
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
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Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP1346192A1 publication Critical patent/EP1346192A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G—PHYSICS
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    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
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    • G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
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    • G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0831—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type having the pivot axis between the longitudinal ends of the mass, e.g. see-saw configuration

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical inertial sensor according to the preamble of claim 1 and a method for producing a micromechanical inertial sensor.
  • Micromechanical inertial sensors are used, for example, to measure accelerations or rotation rates.
  • the technology of micromechanics makes it possible to manufacture such acceleration or rotation rate sensors in a very small space and to manufacture them relatively inexpensively.
  • structures are created from semiconductor components by which the measurement of accelerations due to inertial forces or e.g. rotation rates can also be measured on the basis of the Coriolis effect.
  • Such sensors can be used in various areas of technology, for example in vehicles or in the field of aviation.
  • acceleration sensors are used, for. B. used to trigger airbag systems.
  • vehicle dynamics control systems in which the measurement of rotation rate and acceleration in several spatial directions is a central component.
  • an accurate measurement of a rotation rate or acceleration serves to determine the position or orbit, in particular as a supplement to satellite navigation systems.
  • the document US 4,598,585 shows a planar inertial sensor which has a cardan structure for measuring rotation rates based on the Coriolis effect.
  • the cardan structure is formed in a thin layer of silicon dioxide.
  • a drive element causes part of the gimbal structure to vibrate and a deflection of the other part of the gimbal structure, caused by an effective
  • Coriolis force occurs during a rotary movement is detected by measuring elements.
  • micromechanical acceleration sensor An example of a micromechanical acceleration sensor is in the publication
  • X is a planar structure and consists of two semiconductor bodies that are connected to one another over a large area.
  • a self-supporting structure is connected to one of the semiconductor bodies and is freely movable perpendicular to the surface of the two semiconductor bodies.
  • the known micromechanical inertial sensors have the disadvantage that only individual movement data or movement components can be measured. With a conceivable combination of the known sensors to form a sensor module, additional sources of error would arise during module integration. Furthermore, module integration is associated with additional costs, since the different sensor units have to be combined with one another. In addition, such a sensor module would have a relatively large construction volume.
  • the micromechanical axial sensor according to the invention has a cardan structure, which is embodied, for example, in a wafer and comprises two oscillation elements, which are coupled and have oscillation axes oriented essentially perpendicular to one another, an excitation unit for oscillating the first oscillation element, and a device for detecting a deflection of the second oscillating element, at least one additional plate which is pivotably fastened about an axis of rotation and can be deflected by an acceleration acting perpendicularly to the axis of rotation, and a device for detecting a deflection of the plate, the cardan structure and the at least one plate being formed in a single wafer are.
  • the axial sensor according to the invention is suitable for the measurement of several different movement data in different spatial directions, whereby it nevertheless has a very small construction volume and delivers extremely precise measurement results. Monolithic integration is possible with the sensor, which offers considerable advantages in manufacture. Additional sources of error in module integration are avoided.
  • the inertial sensor or the sensor module is a cost-effective solution for measuring dynamic processes in several degrees of freedom of movement, e.g. Yaw rates, lateral and longitudinal acceleration of vehicles. In particular, it can be produced using the same method and it can be produced on a common substrate.
  • the inertial sensor comprises one or more additional mass elements which are attached to the gimbal structure and / or to the plate.
  • the interactive sensor is advantageously constructed from at least three levels, the wafer preferably being a middle part wafer which is fastened between a bottom wafer and a lid wafer.
  • This configuration simplifies production even further, which also contributes to cost reduction.
  • the construction in three or even several levels or wafer levels also contributes in particular to the reduction in area.
  • the individual sensors for the various movement components are made, for example, from three assembled wafers.
  • the middle part wafer is preferably made of silicon and the bottom wafer and / or the lid wafer are made of glass, for example.
  • both the gimbal structure and the plate are produced together in the wafer or in a single wafer.
  • a rotation rate sensor and at least one acceleration sensor are produced, for example, using silicon micromechanics in such a way that they can be produced together on one wafer.
  • the sensitivity axis of the yaw rate sensor i.e. the axis of a rotation to be measured, e.g. aligned perpendicular to the wafer plane.
  • Accelerometer sensors e.g. perpendicular and / or parallel to the wafer level, can be produced in any combination together with the rotation rate sensor.
  • Rotatable or twistable suspensions for the gimbal can be in the wafer
  • the mechanical suspensions for inertial masses or mass elements and / or plates, which e.g. electrostatically excited and read out are formed from the or a single silicon wafer.
  • the detection of the deflection of the plate and / or the second oscillating element can be carried out capacitively.
  • other types of detection of deflections are also possible, for example piezoelectric or piezoresistive.
  • the device for detecting the deflection of the plate and / or the second oscillating element comprises, for example, a plurality of capacitive elements, which can be arranged in such a way that an opposing change in capacitance is generated as a measurement signal during deflection.
  • the individual sensors can be designed in such a way that the torsion takes place about an axis of rotation which is parallel to the wafer plane and leads to an opposite change in the two capacitors. That is, the rotation rate or acceleration to be measured generates a torque which leads to torsion or tilting of the plate or a capacitance plate and thus to an opposite direction Capacitance change. This serves as a measure of the rotation rate or acceleration, whereby a particularly high precision is achieved and drift effects or other disturbances which would otherwise have a negative effect on the measurement are reduced or prevented.
  • the second oscillating element is advantageously designed as a frame, being a
  • Has vibration or rotation axis which e.g. lies in the wafer plane and in particular is aligned perpendicular to the axis of rotation of the first oscillating element. It can
  • X first oscillating element which is designed, for example, as a rocker or plate and is fastened or suspended within the second oscillating element, comprises two or more mass elements aligned symmetrically to the wafer plane and in particular has an axis of rotation lying parallel to the wafer plane.
  • the first is
  • Vibrating element e.g. a torsional vibrator, i.e. it can execute torsional vibrations about its axis of vibration or rotation.
  • This torsional vibrator is located within the frame or the second vibrating element, which can execute torsional vibrations about an axis, which e.g. is parallel to the wafer plane and perpendicular to
  • At least one additional mass element is attached to the plate, for example, the common center of gravity of the plate and additional mass element advantageously being offset in a direction perpendicular to the wafer plane with respect to the axis of rotation of the plate.
  • the plate is attached at two opposite locations or positions in the wafer plane in such a way that the plate can rotate about an axis through the suspension points.
  • This axis preferably runs through the center of the plate.
  • the mass element or at least one mass can be arranged in the center of the plate so that it protrudes from the wafer plane.
  • at least one additional mass element is attached to the plate in such a way that the common center of gravity of the plate and the additional mass element is offset relative to the axis of rotation of the plate in the direction of the wafer plane. In this way, the plate is deflected due to the acting inertial forces at an acceleration directed perpendicular to the wafer plane. This means that the plate designed in this way forms an acceleration sensor with a sensitivity for accelerations perpendicular to the wafer plane.
  • Wafer plane has a plate that can be attached at two opposite locations in the wafer plane, such that the plate can rotate about an axis through the suspension points. In this case the axis does not run through the center of the plate.
  • a mass or a mass element is protruding, for example, symmetrically to the plate above and / or below that protrudes from the wafer plane.
  • a plurality of plates are advantageously provided or configured in the wafer in order to measure accelerations in three spatial directions perpendicular to one another. That is, the acceleration sensors configured from the plates with different axes of rotation can be provided individually or in combination with one another.
  • the acceleration sensor for measurement along a first axis parallel to the wafer plane advantageously has the same structure as the acceleration sensor for measurement along a second axis parallel to the wafer plane, which is directed perpendicular to the first axis.
  • the acceleration sensors or the plates can also be arranged on the wafer rotated relative to one another by 90 °.
  • the wafer advantageously lies in a hermetically sealed interior, in particular electrical feedthroughs to one or more external ones Contact elements are provided. This allows the interior of the sensor to be sealed liquid and gas tight.
  • the electrical feedthroughs establish an electrical connection between the sensor interior and the electrical contact points in the exterior.
  • Contact elements are preferably provided which can be planar and parallel to the wafer surface. All electrical contact points are preferably planar and are parallel to the wafer or substrate surface. This also contributes to simplified manufacture and easier contacting of the sensors or the individual sensor elements.
  • the mass element or the mass elements are advantageously spherical and fastened in associated recesses in the wafer.
  • Steel balls or similar balls are used, which preferably have a relatively high weight.
  • There is a simple and durable attachment in the recesses, e.g. also a magnetic connection or other known attachment options, such as Gluing etc. are possible.
  • a method for producing a micromechanical inertial sensor comprising the steps of providing a wafer; Forming a gimbal structure in the wafer with first and second vibrating elements; Form at least one additional plate in the wafer so that it can be pivoted about an axis of rotation lying in the wafer plane and can be deflected by acceleration forces; Forming an excitation unit to excite the gimbal structure to vibrate; and forming a device for measuring a deflection of the plate and the gimbal structure, the gimbal structure and the at least one plate being formed in the wafer by structuring a single wafer using techniques of micromechanics.
  • a hermetically sealed interior is advantageously designed between the further wafers, the cardan structure and the plate being arranged in the interior
  • One or more additional mass elements can be attached to the plate and / or to a vibrating element of the gimbal structure. This means that the sensors can each have at least one separately attached mass.
  • the mechanical input variable e.g. an acceleration or a rotation rate leads to a tilting of a capacitor plate. This tilt causes two capacities to change in opposite directions.
  • a final module test is advantageously carried out, in which a combined test of individual sensor elements or of the entire module of sensor elements is carried out. This means that the sensors of a module are tested together. The individual tests of the sensors and the final module test can be combined. This results in a time and cost saving in particular.
  • accelerations perpendicular and parallel to the wafer plane and a rotation rate about an axis perpendicular to the wafer plane can be measured with individual sensors or sensor elements, which in particular can be produced together on one substrate.
  • the direction of sensitivity is determined by the sensor structure and the arrangement on the substrate.
  • the invention leads in particular to the following advantages: Small overall volume of the complete sensor module, ie in particular less space required on the substrate when the module is manufactured in comparison to the manufacture of the individual sensors. This results in particular in a reduction in manufacturing costs.
  • All electrical contact points can be on the same level. This further reduces the effort for contacting the sensor elements.
  • a common test procedure for the sensors of a module can be carried out.
  • the individual test of the sensors and the final module tests can be combined. This results in further time and cost savings.
  • a common evaluation method in particular with a differential capacitance measuring principle, is possible for all sensors. This also results in a further reduction in the costs of developing and manufacturing the evaluation electronics.
  • FIG. 1 shows the micromechanical inertial sensor according to the invention according to a preferred embodiment of the invention in a sectional view
  • Figure 2 is a top view of the gimbal structure of the one shown in Figure 1
  • Figure 3 is a plan view of an electrode structure for electrostatically driving the vibrations of the gimbal structure
  • Figure 4 shows an outer edge portion of the preferred embodiment of the inertial sensor according to the invention as a sectional view in an enlarged view.
  • the interactive sensor 10 is constructed in three levels, a central part 11 between a base part 12 and a cover part 13.
  • the central part 11 is a wafer or substrate element in which structures capable of oscillation are formed.
  • These structures capable of oscillation comprise a gimbal structure 14 which has a first oscillation element 16 and a second oscillation element 15.
  • two plates 17, 18 are formed in the wafer 11 or semiconductor body, each of which is fastened in the wafer 11 pivotably about an axis of rotation P1, P2 lying in the wafer plane.
  • metallizations or conductive areas 20 on the inner surface of the base part 12, which form an electrostatic excitation unit in order to set the first oscillating element 16 into vibrations.
  • Further metallizations or conductive areas 19 form a device for the capacitive detection of a deflection of the second oscillating element 15.
  • the movable or oscillatable structures in the wafer 11, which forms the middle part, are structured using techniques of micromechanics in or out of a single wafer.
  • the middle part 11 is a silicon wafer in which, due to the movable structures, a rotation rate sensor for measuring rotations about the z-axis, an acceleration sensor for measuring accelerations in the direction of the x-axis or y-axis and an acceleration sensor for measuring accelerations are formed in the direction of the z-axis.
  • the rotation rate sensor is formed by the cardan structure 14, while the acceleration sensor for the x-axis or y-axis is formed by the plate 17 and the acceleration sensor for the z-axis is formed by the plate 18.
  • the axes of rotation P1 and P2 of the plates 17 and 18 are both perpendicular to the plane of the drawing, i.e. in the y direction, so that the plates 17 and 18 are rotatably or oscillatably supported in the z direction.
  • the first oscillating element 16 of the cardan structure 14 is also rotatably or oscillatably mounted about an axis P3 which is directed perpendicular to the plane of the drawing, ie in the y direction.
  • the first oscillating element 16 can be the gimbal
  • Structure 14 are also deflected in the z direction or vibrations with a
  • the first oscillating element 16 is mounted within the second oscillating element 15, which is designed like a frame.
  • the outer, frame-like second oscillating element 15 is also mounted on the remaining wafer 11 so that it can oscillate or rotate, the axis of rotation P4 of the second
  • Vibrating element 15 extends in the wafer plane in the x direction, i.e. perpendicular to
  • Additional spherical mass elements 23, 24, 25, 26, 27 are arranged on the top and bottom of the wafer 11 in the area of the movable structures formed therein.
  • the spherical mass elements are positively fastened in depressions in the different areas of the wafer 11.
  • the additional mass elements are steel balls in the present case, which have a relatively high weight compared to the other components of the inertial sensor.
  • other shapes or materials can also be used for the additional mass elements 23, 24, 25, 26, 27.
  • the first oscillating element 16 which is designed as a rocker, carries a mass element 23, 24 on its top and on its underside.
  • the additional mass elements 23, 24 on the rocker 16 are centrally above or below the
  • the axis of rotation P3 of the rocker 16 is arranged, ie the mass elements 23, 24 are aligned symmetrically to one another with respect to the axis of rotation P3 of the rocker 16.
  • Vibration of the gimbal structure 14 about the axis of rotation P3 of the rocker or first oscillating element 16, which runs in the wafer plane in the y direction occurs when the sensor module 10 rotates about an axis running perpendicular to the wafer plane (z direction) due to the Coriolis force acting Deflection of the frame or second oscillating element 15. That is, the frame 15 or the second oscillating element is deflected about the axis of rotation P4. This deflection of the frame 15 in the z direction is a measure of the rate of rotation of the inertial sensor or sensor module 10 about an axis of rotation extending in the z direction.
  • the mass element 25 is arranged centrally on the upper side of the first plate element 17 and is positively fastened in a recess.
  • the mass element 25 is located exactly above the axis of rotation P1 of the first plate 17.
  • the center of gravity is shifted relative to the axis of rotation P1 and with respect to the wafer plane.
  • An additional mass element 26 and 27 is arranged on the top and on the bottom of the second plate 18.
  • the spherical mass elements 26, 27 are fastened in depressions as described above. However, they are not arranged centrally above or below the axis of rotation P2 of the second plate 18, but offset with respect to this axis of rotation in the direction of the wafer plane or in the x direction.
  • the additional mass elements 26, 27 are attached to the edge of the plate 18. That is, the center of gravity of the mass elements 26, 27 is offset in relation to the axis of rotation P2 in the x direction or in the direction of the wafer plane.
  • the second plate 18 When accelerating in the z direction, ie perpendicular to the wafer plane or to the plane of the sensor module 10, the second plate 18 is deflected or tilted in the z direction on account of the acting inertial forces of the additional mass elements 26, 27. The plate 18 is thereby rotated the axis of rotation P2 extending in the y direction is tilted.
  • a mass element does not necessarily have to be arranged on the top and on the bottom in order to effect the inertial forces for measuring the accelerations or the Coriolis force on the basis of a rotation rate.
  • this arrangement with mass elements arranged symmetrically on the top and on the bottom has very great advantages with regard to the measuring accuracy of the sensor, which is significantly improved by the high degree of symmetry.
  • Recesses 13a and 12a are provided to accommodate the additional mass elements 23, 24, 25, 26, 27. A sufficiently large scope is granted so that the
  • Structure 14 can be executed.
  • the semiconductor substrate or the wafer 11 is firmly connected at its edge regions to the bottom part 12 underneath and the cover part 13 lying above it.
  • This connection forms a hermetically sealed interior 28, in which the movable structures of the wafer 11 are located.
  • the individual sensors formed or structured in the wafer 11 for measuring accelerations and rotation rates are sealed gas-tight or liquid-tight to the outside.
  • a pressure-tight connection is established, and the interior 28 can be evacuated.
  • All conductive areas for driving the sensor elements or for reading out tilting or swiveling movements of the movable structures are arranged in a planar or flat manner on the top of the base part 12.
  • the conductive regions 19, 20, 21, 22 are aligned parallel to one another and parallel to the opposite surfaces of the central part or of the wafer 11.
  • the conductive region 20 serves to electrostatically drive the inner, rocker-like oscillating element 16 or the cardan structure 14.
  • the conductive region 19 lies opposite the outer, frame-like oscillating element 15 and forms a pair of capacitors for reading out the tilting movement or deflection of the frame 15. The capacity changes in the opposite direction, which means that measurement inaccuracies can be largely reduced.
  • the conductive region 21 is arranged flat against the underside of the plate 17 and, together with the plate 17, likewise forms a pair of capacitors, a capacitor being configured on each side of the axis of rotation P1.
  • the conductive region 22 is also flat on the top of the base part 12 and aligned parallel to the opposite plate 18.
  • the conductive region 22 forms, together with the plate 18, a pair of capacitors which, when the plate 18 is deflected, generates opposing capacitance signals.
  • Electrical feedthroughs 29 in the edge region of the sensor module 10 represent an electrical connection between the sensor elements located in the interior 28 and external electrical connections 30, via which the power supply, control and signal evaluation units are connected.
  • FIG. 2 shows a partial area of the wafer 11 in a view from above, which forms the gimbal structure 14 due to its structuring. Opposing outer slots 31, 32 and opposite inner slots 33, 34 are formed in this partial area.
  • Each of the oscillating elements 15, 16 is attached to oscillatable or torsionable, opposite suspensions 35, 36 and 37, 38, respectively.
  • FIG. 3 shows the basic configuration of the conductive regions, which each form a pair of electrode surfaces 39.
  • the conductive regions 19, 20, 21, 22 described above are advantageously designed in this way.
  • Each electrode surface 39 is surrounded by a closed ring electrode 41.
  • connection pad provided for the respective electrode surface.
  • FIG. 4 shows an edge area of the inertial sensor 10 or sensor module in an enlarged sectional view.
  • the middle part 1 1 or the wafer is over a
  • Pressure contact 45 connected to the bottom part 12 made of glass. In this area, as described above, a pressure-tight electrical feedthrough from the sensor interior to the outside is guaranteed.
  • the bottom part 12 protrudes slightly from the center part 11, i.e. a projection is formed, on the upper side of which the connection 30 is designed in the form of a connection pad by means of suitable metallizations.
  • the plates 17, 18 which, as described above, form acceleration sensors for the z-axis and for the x-axis and / or y-axis, are similar to the gimbal structure 14 in each case at opposite suspension points or positions attached to the remaining wafer 1 1. They are therefore also
  • Element or rockers designed and rotatable about an axis that runs through a region or a central region of the respective plate.
  • Measurement sensitivities for movement variables in the most varied of directions are possible. It is also possible that only a single plate is configured in addition to the cardan structure 14 in the wafer 11.
  • the wafers are connected at the edges via pressure contacts, with electrical feedthroughs being formed to the outside.
  • the sensor module is preferably evacuated.

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Abstract

Ein mikromechanischer Inertialsensor ist aus drei Bauelementebenen aufgebaut und umfasst ein Bodenteil (12), ein Mittelteil (11) und ein Deckelteil (13). Das Mittelteil (11) ist ein Siliziumwafer, in dem eine kardanische Struktur (14) mit 2 Schwingelementen (15, 16) aufgestaltet ist. In dem Siliziumwafer ist weiterhin eine Platte (17, 18) ausgebildet, die schwenkbar um eine in der Waferebene liegende Drehachse befestigt ist. Metallisierungen bzw. leitfähige Schichten (19, 20, 21, 22) bilden eine Anregungseinheit um die kardanische Struktur (14) in Schwingungen zu versetzen, sowie eine Einrichtung zur Erfassung einer Auslenkung der Platte (17, 18). Die Strukturen bilden ein Sensormodul mit einem Drehratensensor und mindestens einem Beschleunigungssensor, die mit demselben Verfahren hergestellt sind.

Description

Mikromechanischer Inertialsensor
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Inertialsensor gemäß dem Oberbegriff om Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Inertialsensors.
Mikromechanische Inertialsensoren werde/i beispielsweise zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten eingesetzt. Durch die Technik der Mikromechanik ist es möglich, derartige Beschleunigungs- bzw. Drehratensensoren auf sehr kleinem Raum herzustellen und relativ kostengünstig zu fertigen. Dabei werden z.B. aus Halbleiterbauelementen Strukturen geschaffen, durch die die Messung von Beschleunigungen aufgrund von Trägheitskräften oder z.B. auch die Messung von Drehraten auf der Grundlage des Corioliseffekts erfolgen kann.
Derartige Sensoren können in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt werden, beispielsweise in Fahrzeugen oder im Bereich der Luftfahrt. Bei Kraftfahrzeugen werden Beschleunigungssensoren z. B. zur Auslösung von Airbag-Systemen verwendet. Ein weiterer Anwendungsbereich sind Fahrdynamik-Regelungssysteme, bei denen die Messung von Drehrate und die Beschleunigung in mehreren Raumrichtungen ein zentraler Bestandteil ist. Im Bereich der Navigation dient eine genaue Messung einer Drehrate bzw. Beschleunigung zur Positions- oder Bahnbestimmung, insbesondere als Ergänzung zu Satelliten-Navigationssystemen.
Im Bereich der mikromechanischen Inertialsensoren sind kostengünstige Lösungen von besonderer Bedeutung um eine Serienfertigung bzw. Anwendungen in großen Stückzahlen zu ermöglichen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Genauigkeit derartiger Sensoren. Darüber hinaus ist eine geringe Baugröße von zentraler Bedeutung, insbesondere bei einem Einsatz in mobilen Systemen, wie z. B. in Land- oder Luftfahrzeugen, oder auch im Bereich der Raumfahrt.
Die Druckschrift US 4,598,585 zeigt einen planaren Inertialsensor, der eine kardanische Struktur zur Messung von Drehraten auf der Grundlage des Corioliseffekts aufweist. Die kardanische Struktur ist in einer dünnen Schicht aus Silizium-Dioxid ausgebildet. Durch ein Antriebselement wird ein Teil der kardanischen Struktur in Schwingungen versetzt und eine Auslenkung des anderen Teils der kardanischen Struktur, die durch eine wirkende
Corioliskraft bei einer Drehbewegung erfolgt, wird durch Meßelemente erfaßt.
Ein Beispiel für einen mikromechanischen Beschleunigungssensor ist in der Druckschrift
DE 44 39 238 A1 beschrieben. Der dort gezeigte kapazitive Beschleunigungssensor hat
X einen planaren Aufbau und besteht aus zwei Halbleiterkörpern, die flächig miteinander verbunden sind. Eine freitragende Struktur ist mit einem der Halbleiterkörper verbunden und senkrecht zur Fläche der beiden Halbleiterkörper frei beweglich.
Die bekannten mikromechanischen Inertialsensoren haben jedoch den Nachteil, dass nur einzelne Bewegungsdaten bzw. Bewegungskomponenten meßbar sind. Bei einer denkbaren Kombination der bekannten Sensoren zu einem Sensormodul würden zusätzliche Fehlerquellen bei der Modulintegration entstehen. Weiterhin ist eine Modulintegration mit zusätzlichen Kosten verbunden, da die verschiedenen Sensoreinheiten miteinander kombiniert werden müssen. Hinzu kommt noch, dass ein derartiges Sensormodul ein relativ großes Bauvolumen aufweisen würde.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Intertialsensor zu schaffen, mit dem eine präzise Messung von unterschiedlichsten Bewegungsdaten möglich ist und der dennoch eine nur geringe Baugröße und nur geringe Herstellungskosten erfordert. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Intertialsensors angegeben werden, das zu einem kostengünstigen, kleinen und präzisen Intertialsensor führt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den mikromechanischen Intertialsensor gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Inertialsensors gemäß Patentanspruch 16. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Der erfindungsgemäße mikromechanische Intertialsensor hat eine kardanische Struktur, die z.B. in einem Wafer ausgebildet ist und zwei Schwingelemente umfasst, die gekoppelt sind und im wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtete Schwingungsachsen aufweisen, eine Anregungseinheit um das erste Schwingelement in Schwingungen zu versetzen, eine Einrichtung zur Erfassung einer Auslenkung des zweiten Schwingelements, mindestens eine zusätzliche Platte, die schwenkbar um eine Drehachse befestigt und durch eine senkrecht zur Drehachse wirkende Beschleunigung auslenkbar ist, und eine Einrichtung zur Erfassung einer Auslenkung der Platte, wobei die kardanische Struktur und die mindestens eine Platte in einem einzigen Wafer ausgebildet sind.
Der erfindungsgemäße Intertialsensor ist zur Messung von mehreren, unterschiedlichen Bewegungsdaten in verschiedenen Raumrichtungen geeignet, wobei er dennoch ein sehr geringes Bauvolumen aufweist und äußerst präzise Meßergebnisse liefert. Mit dem Sensor ist eine monolithische Integration möglich, was erhebliche Vorteile bei der Herstellung bietet. Zusätzliche Fehlerquellen bei der Modulintegration werden vermieden. Der Inertialsensor bzw. das Sensormodul ist eine kostengünstige Lösung zur Messung von dynamischen Vorgängen in mehreren Freiheitsgraden der Bewegung, wie z.B. Gierraten, Quer- und Längsbeschleunigung von Fahrzeugen. Er kann insbesondere mit dem selben Verfahren hergestellt werden und es ist eine Herstellung auf einem gemeinsamen Substrat möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Inertialsensor ein oder mehrere zusätzliche Masseelemente, die an der kardanischen Struktur und/oder an der Platte befestigt sind.
Der Intertialsensor ist vorteilhafterweise aus mindestens drei Ebenen aufgebaut, wobei der Wafer bevorzugt ein Mittelteilwafer ist, der zwischen einem Bodenwafer und einem Deckelwafer befestigt ist. Durch diese Ausgestaltung wird die Herstellung noch weiter vereinfacht, was zusätzlich zur Kostenreduktion beiträgt. Der Aufbau in drei oder auch mehreren Ebenen bzw. Waferebenen trägt insbesondere auch zur Flächenreduktion bei. D.h., die einzelnen Sensoren für die verschiedenen Bewegungskomponenten sind z.B. aus drei zusammengefügten Wafern gefertigt. Bevorzugt ist der Mittelteilwafer aus Silizium gefertigt und der Bodenwafer und/oder der Deckelwafer sind z.B. aus Glas gefertigt.
Vorteilhafterweise sind sowohl die kardanische Struktur als auch die Platte gemeinsam in dem Wafer bzw. in einem einzigen Wafer hergestellt. D.h., ein Drehratensensor und mindestens ein Beschleunigungssensor werden beispielsweise mittels Siliziummikromechanik derart hergestellt, dass die Herstellung auf einem Wafer gemeinsam erfolgen kann. Dabei ist die Empfindlichkeitsachse des Drehratensensors, d.h. die Achse einer zu messenden Drehung, z.B. senkrecht zur Waferebene ausgerichtet. Sensoren zur Messung von Beschleunigungen, z.B. senkrecht und/oder parallel zur Waferebene, können in beliebiger Kombination gemeinsam mit dem Drehratensensor hergestellt werden.
In dem Wafer können drehbare bzw. tordierbare Aufhängungen für die kardanische
Struktur und/oder für die Platte ausgeformt sein. D.h., die mechanischen Aufhängungen für Inertialmassen bzw. Masseelemente und/oder Platten, die z.B. elektrostatisch angeregt und ausgelesen werden, sind aus dem bzw. einem einzigen Siliziumwafer geformt.
Die Erfassung der Auslenkung der Platte und/oder des zweiten Schwingelements kann kapazitiv erfolgen. Es sind aber auch andere Arten der Erfassung von Auslenkungen möglich, beispielsweise piezoelektrisch oder piezoresistiv.
Die Einrichtung zur Erfassung der Auslenkung der Platte und/oder des zweiten Schwingelements umfasst beispielsweise mehrere kapazitive Elemente, die derart angeordnet sein können, dass bei einer Auslenkung eine gegenläufige Kapazitätsänderung als Messsignal erzeugt wird. Dabei können die einzelnen Sensoren derart ausgestaltet sein, dass die Torsion um eine Drehachse erfolgt, die parallel zur Waferebene liegt und zu einer gegenläufigen Änderung zweier Kondensatoren führt. D.h., die zu messende Drehrate oder Beschleunigung erzeugt ein Drehmoment, das zu einer Torsion bzw. Verkippung der Platte bzw. einer Kapazitätsplatte führt und somit zu einer gegenläufigen Kapazitätsänderung. Dies dient als Maß für die Drehrate bzw. Beschleunigung, wobei eine besondere hohe Präzision erreicht wird und Drifteffekte oder andere Störungen, die die Messung ansonsten negativ beeinflussen würden, reduziert oder verhindert werden.
Vorteilhafterweise ist das zweite Schwingelement als Rahmen ausgestaltet, wobei es eine
Schwingungs- bzw. Drehachse aufweist, die z.B. in der Waferebene liegt und insbesondere senkrecht zur Drehachse des ersten Schwingelements ausgerichtet ist. Dabei kann das
X erste Schwingelement, das beispielsweise als Wippe oder Platte ausgestaltet ist und innerhalb des zweiten Schwingelements befestigt bzw. aufgehängt ist, zwei oder mehr symmetrisch zur Waferebene ausgerichtete Masseelemente umfassen und insbesondere eine parallel zur Waferebene liegende Drehachse aufweisen. Dabei bildet das erste
Schwingelement z.B. einen Torsionsschwinger, d.h., es kann Torsionsschwingungen um seine Schwingungs- bzw. Drehachse ausführen. Dieser Torsionsschwinger befindet sich innerhalb des Rahmens bzw. des zweiten Schwingelements, das Torsionsschwingungen um eine Achse ausführen kann, die z.B. parallel zur Waferebene liegt und senkrecht zur
Achse der Schwingungen der Wippe bzw. des ersten Schwingers.
An der Platte ist beispielsweise mindestens ein zusätzliches Masseelement befestigt, wobei der gemeinsame Schwerpunkt von Platte und zusätzlichem Masseelement vorteilhafterweise gegenüber der Drehachse der Platte in einer Richtung senkrecht zur Waferebene versetzt ist. Dadurch wird bei einer auftretenden Beschleunigung in einer parallel zur Waferebene gerichteten Richtung die Platte aufgrund der Trägheitskraft ausgelenkt, so dass die Platte einen Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungen parallel zur Waferebene bildet.
Die Platte ist z.B. an zwei gegenüberliegenden Stellen oder Positionen in der Waferebene befestigt, auf eine Weise, dass die Platte eine Drehbewegung um eine Achse durch die Aufhängungspunkte ausführen kann. Diese Achse verläuft bevorzugt durch das Zentrum der Platte. Das Masseelement bzw. mindestens eine Masse kann dabei im Zentrum der Platte so angeordnet sein, dass sie aus der Waferebene herausragt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an der Platte mindestens ein zusätzliches Masseelement derart befestigt, dass der gemeinsame Schwerpunkt von Platte und zusätzlichem Masseelement gegenüber der Drehachse der Platte in Richtung der Waferebene versetzt ist. Auf diese Weise wird die Platte bei einer senkrecht zur Waferebene gerichteten Beschleunigung aufgrund der wirkenden Trägheitskräfte ausgelenkt. D.h., dass die auf diese Weise ausgestaltete Platte einen Beschleunigungssensor mit einer Empfindlichkeit für Beschleunigungen senkrecht zur Waferebene bildet.
Anders ausgedrückt, der Sensor zur Messung der Beschleunigung senkrecht zur
Waferebene besitzt eine Platte, die an zwei gegenüberliegenden Stellen in der Waferebene befestigt sein kann, derart, das die Platte eine Drehbewegung um eine Achse durch die Aufhängungspunkte ausführen kann. In diesem Fall verläuft die Achse nicht durch das Zentrum der Platte. An einer Stelle bzw. Position auf der Platte, die insbesondere entfernt von der Drehachse liegt, ist beispielsweise symmetrisch zur Platte oberhalb und/oder unterhalb je eine Masse bzw. ein Masseelement angebracht, das aus der Waferebene herausragt.
Vorteilhafterweise sind mehrere Platten vorgesehen bzw. in dem Wafer ausgestaltet, um Beschleunigungen in drei senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen zu messen. D.h., die aus den Platten mit verschiedenen Drehachsen ausgestalteten Beschleunigungssensoren können einzeln oder in Kombination miteinander vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise besitzt der Beschleunigungssensor zur Messung entlang einer ersten Achse parallel zur Waferebene die selbe Struktur wie der Beschleunigungssensor zur Messung entlang einer zweiten Achse parallel zur Waferebene, die senkrecht zur ersten Achse gerichtet ist. Dabei können die Beschleunigungssensoren bzw. die Platten auch relativ zueinander um 90° gedreht auf dem Wafer angeordnet sein.
Vorteilhafterweise liegt der Wafer in einem hermetisch abgeschlossenen Innenraum, wobei insbesondere elektrische Durchführungen zu ein oder mehreren außenliegenden Kontaktelementen vorgesehen sind. Dadurch kann der Sensorinnenraum flüssigkeits- und gasdicht abgeschlossen werden. Die elektrischen Durchführungen stellen eine elektrische Verbindung zwischen dem Sensorinnenraum und den elektrischen Kontaktstellen im Außenraum her.
Bevorzugt sind Kontaktelemente vorgesehen, die planar und parallel zur Waferoberfläche ausgebildet sein können. Bevorzugt sind alle elektrischen Kontaktstellen planar ausgestaltet und liegen parallel zur Wafer- bzw. Substratoberfläche. Dies trägt ebenfalls zur vereinfachten Herstellung und zur einfacheren Kontaktierung der Sensoren bzw. der einzelnen Sensorelemente bei.
Das Masseelement bzw. die Masseelemente sind vorteilhafterweise kugelförmig und in zugehörigen Vertiefungen des Wafers befestigt. Dabei können z.B. Stahlkugeln oder ähnliche Kugeln verwendet werden, die bevorzugt ein relativ hohes Gewicht aufweisen. Es ergibt sich eine einfache und haltbare Befestigung in den Vertiefungen, wobei z.B. auch eine magnetische Anbindung oder auch andere bekannte Befestigungsmöglichkeiten, wie z.B. Kleben usw., möglich sind.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Inertialsensors angegeben, mit den Schritten, Bereitstellen eines Wafers; Bilden einer kardanischen Struktur in dem Wafer mit einem ersten und einem zweiten Schwingelement; Bilden mindestens einer zusätzlichen Platte in dem Wafer, so dass sie schwenkbar um eine in der Waferebene liegende Drehachse und durch Beschleunigungskräfte auslenkbar ist; Ausbilden einer Anregungseinheit um die kardanische Struktur zu Schwingungen anzuregen; und Ausbilden jeweils einer Einrichtung zur Messung einer Auslenkung der Platte und der kardanischen Struktur, wobei die kardanische Struktur und die mindestens eine Platte durch Strukturieren eines einzigen Wafers mit Techniken der Mikromechanik in dem Wafer ausgebildet werden.
Dadurch kann auf kostengünstige Weise ein genauer und platzsparender Inertialsensor hergestellt werden, der zur Messung von Bewegungsgrößen in einer Vielzahl von unterschiedlichen Raumrichtungen geeignet ist. Insbesondere kann mit diesem Verfahren der hier beschriebene mikromechanische Inertialsensor hergestellt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird jeweils ein weiterer Wafer an der Oberseite und an der Unterseite des Wafers angefügt.
Vorteilhafterweise wird ein hermetisch dichter Innenraum zwischen den weiteren Wafern ausgestaltet, wobei die kardanische Struktur und die Platte in dem Innenraum angeordnet
X sind.
Ein oder mehrere zusätzliche Masseelemente können an der Platte und/oder an einem Schwingelement der kardanischen Struktur befestigt werden. D.h., die Sensoren können jeweils mindestens eine separat angebrachte Masse aufweisen. Die mechanische Eingangsgröße, z.B. eine Beschleunigung oder eine Drehrate führt zu einer Verkippung einer Kondensatorplatte. Diese Verkippung bewirkt die gegenläufige Änderung zweier Kapazitäten.
Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren eine abschließende Modulprüfung durchgeführt, bei der eine zusammengefaßte Prüfung einzelner Sensorelemente bzw. des gesamten Moduls von Sensorelementen durchgeführt wird. D.h., es erfolgt ein gemeinsames Prüfverfahren der Sensoren eines Moduls. Die einzelnen Prüfungen der Sensoren und die abschließende Modulprüfung können zusammengefaßt werden. Daraus folgt insbesondere eine Zeit- und Kostenersparnis.
Mit dem erfindungsgemäßen Inertialsensor können Beschleunigungen senkrecht und parallel zur Waferebene und eine Drehrate um eine Achse senkrecht zur Waferebene mit einzelnen Sensoren bzw. Sensorelementen gemessen werden, die insbesondere gemeinsam auf einem Substrat hergestellt werden können. Durch die Erfindung ist es nicht mehr notwendig, separate Sensoren entsprechend ihrer Empfindlichkeitsachse auszurichten. Die Empfindlichkeitsrichtung wird durch die Sensorstruktur und die Anordnung auf dem Substrat festgelegt.
Die Erfindung führt insbesondere zu folgenden Vorteilen: Geringes Bauvolumen des kompletten Sensormoduls, d.h. insbesondere geringerer Flächenbedarf auf dem Substrat bei der gemeinsamen Herstellung des Moduls im Vergleich zur Herstellung der einzelnen Sensoren. Daraus folgt insbesondere eine Reduzierung der Herstellungskosten.
Beim Aufbau eines Sensormoduls entfällt die nachträgliche Ausrichtung der Sensoren entlang der Empfindlichkeitsachsen. Daraus ergeben sich eine höhere Präzision und verringerte Herstellkosten.
Alle elektrischen Kontaktstellen können auf der selben Ebene liegen. Dies reduziert weiterhin den Aufwand für die Kontaktierung der Sensorelemente.
Es kann ein gemeinsames Prüfverfahren der Sensoren eines Moduls durchgeführt werden. Die einzelne Prüfung der Sensoren und die abschließende Modulprüfungen können dabei zusammengefaßt werden. Daraus folgt eine weitere Zeit- und Kostenersparnis.
Ein gemeinsames Auswerteverfahren, insbesondere mit einem differentiellen Kapazitätsmessprinzip, ist für alle Sensoren möglich. Auch daraus folgt eine weitere Reduzierung der Kosten bei der Entwicklung und der Fertigung der Auswerteelektronik.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 den erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht;
Figur 2 eine Draufsicht auf die kardanische Struktur des in Figur 1 gezeigten
Inertialsensors;
Figur 3 eine Draufsicht auf eine Elektrodenstruktur zum elektrostatischen Antrieb der Schwingungen der kardanischen Struktur, und Figur 4 einen äußeren Randabschnitt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors als Schnittansicht in vergrößerter Darstellung.
Fig. 1 zeigt einen Intertialsensor bzw. ein Sensormodul 10, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist, in einer .schematischen Schnittansicht. Der Intertialsensor 10 ist im vorliegenden Fall in drei Ebenen aufgebaut, wobei ein Mittelteil 1 1 zwischen einem Bodenteil 12 und einem Deckelteil 13 liegt. Das Mittelteil 1 1 ist ein Wafer- bzw. Substratelement, in dem schwingfähige Strukturen ausgebildet sind. Diese schwingfähigen Strukturen umfassen eine kardanische Struktur 14, die ein erstes Schwingelement 16 und ein zweites Schwingelement 15 hat. In dem Wafer 1 1 bzw. Halbleiterkörper sind weiterhin zwei Platten 17, 18 ausgebildet, die jeweils schwenkbar um eine in der Waferebene liegende Drehachse P1, P2 in dem Wafer 1 1 befestigt sind. Auf der innengelegenen Oberfläche des Bodenteils 12 befinden sich Metallisierungen bzw. leitfähige Gebiete 20, die eine elektrostatische Anregungseinheit bilden um das erste Schwingelement 16 in Schwingungen zu versetzen. Weitere Metallisierungen bzw. leitfähige Gebiete 19 bilden eine Einrichtung zur kapazitiven Erfassung einer Auslenkung des zweiten Schwingelements 15. Weitere Metallisierungen bzw. leitfähige Gebiete 21, 22, die auf der dem Mittelteil 1 1 zugewandten Oberfläche des Bodenteils 10 ausgebildet sind, bilden eine Einrichtung zur Erfassung einer Auslenkung der jeweiligen Platte 17, 18, die kapazitiv wirkt.
Die beweglichen bzw. schwingfähigen Strukturen in dem Wafer 1 1, der das Mittelteil bildet, sind mit Techniken der Mikromechanik in bzw. aus einem einzigen Wafer herausstrukturiert. Das Mittelteil 1 1 ist ein Siliziumwafer, in dem aufgrund der beweglichen Strukturen ein Drehratensensor zur Messung von Drehungen um die z-Achse, ein Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungen in Richtung der x-Achse bzw. y-Achse und ein Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungen in Richtung der z-Achse ausgebildet sind. Der Drehratensensor wird dabei durch die kardanische Struktur 14 gebildet, während der Beschleunigungssensor für die x-Achse oder y-Achse durch die Platte 17 und der Beschleunigungssensor für die z-Achse durch die Platte 18 gebildet wird.
Die Drehachsen P1 und P2 der Platten 17 bzw. 18 verlaufen beide senkrecht zur Zeichenebene, d.h. in y-Richtung, so dass die Platten 17 bzw. 18 in z-Richtung drehbar bzw. schwingbar gelagert sind.
X' Das erste Schwingelement 16 der kardanischen Struktur 14 ist ebenfalls drehbar bzw. schwingfähig um eine Achse P3 gelagert, die senkrecht zur Zeichnungsebene, d.h. in y- Richtung, gerichtet ist. Somit kann das erste Schwingelement 16 der kardanischen
Struktur 14 ebenfalls in z-Richtung ausgelenkt werden bzw. Schwingungen mit einer
Auslenkung in z-Richtung ausführen. Hierzu ist das erste Schwingelement 16 innerhalb des zweiten Schwingelements 15, das rahmenartig ausgestaltet ist, gelagert. Das äußere, rahmenartige zweite Schwingelement 15 ist an dem übrigen Wafer 1 1 ebenfalls schwingfähig bzw. drehbar gelagert, wobei die Drehachse P4 des zweiten
Schwingelements 15 in der Waferebene in x-Richtung verläuft, d.h. senkrecht zur
Drehachse P3 des ersten Schwingelements 16.
Auf der Oberseite und der Unterseite des Wafers 1 1 im Bereich der darin ausgebildeten, beweglichen Strukturen sind zusätzliche kugelförmige Masseelemente 23, 24, 25, 26, 27 angeordnet. Die kugelförmigen Masseelemente sind dabei in Vertiefungen in den verschiedenen Bereichen des Wafers 1 1 formschlüssig befestigt. Die zusätzlichen Masseelemente sind im vorliegenden Fall Stahlkugeln, die gegenüber den übrigen Bauteilen des Inertialsensors ein relativ hohes Gewicht aufweisen. Es können aber auch andere Formen oder Materialien für die zusätzlichen Masseelemente 23, 24, 25, 26, 27 verwendet werden.
Das erste Schwingelement 16, das als Wippe aufgestaltet ist, trägt auf seine Oberseite und auf seine Unterseite jeweils ein Masseelement 23, 24. Die zusätzlichen Masseelemente 23,24 auf der Wippe 16 sind zentral oberhalb bzw. unterhalb der
Drehachse P3 der Wippe 16 angeordnet, d.h. die Masseelemente 23, 24 sind symmetrisch zueinander in Bezug auf die Drehachse P3 der Wippe 16 ausgerichtet. Bei einer. Schwingung der kardanischen Struktur 14 um die Drehachse P3 der Wippe bzw. ersten Schwingelements 16, die in Waferebene in y-Richtung verläuft, erfolgt bei einer Drehung des Sensormoduls 10 um eine senkrecht zur Waferebene verlaufende Achse (z-Richtung) aufgrund der wirkenden Corioliskraft eine Auslenkung des Rahmens bzw. zweiten Schwingelements 15. D.h., der Rahmen 15 bzw. das zweite Schwingelement wird um die Drehachse P4 ausgelenkt. Diese Auslenkung des Rahmens 15 in z-Richtung ist ein Maß für die Drehrate des Inertialsensors bzw. Sensormodul 10 um eine in z-Richtung verlaufende Drehachse.
Auf der Oberseite des ersten Plattenelements 17 ist das Masseelement 25 zentral angeordnet und in einer Vertiefung formschlüssig befestigt. Dabei befindet sich das Masseelement 25 genau oberhalb der Drehachse P1 der ersten Platte 17. Somit ist der Massenschwerpunkt gegenüber der Drehachse P1 und gegenüber der Waferebene ausgelagert. Bei einer Beschleunigung des Inertialsensors 10 in x-Richtung wirkt daher eine Trägheitskraft aufgrund des zusätzlichen Masseelements 25, so dass eine Verkippung der ersten Platte 17 um ihre Drehachse P1 erfolgt. D.h., die Platte 17 wird in z-Richtung ausgelenkt.
Auf der Oberseite und auf der Unterseite der zweiten Platte 18 ist jeweils ein zusätzliches Masseelement 26 bzw. 27 angeordnet. Die kugelförmigen Masseelemente 26, 27 sind wie oben beschrieben in Vertiefungen befestigt. Sie sind jedoch nicht zentral oberhalb bzw. unterhalb der Drehachse P2 der zweiten Platte 18 angeordnet, sondern bezüglich dieser Drehachse in Richtung der Waferebene bzw. in x-Richtung versetzt. Im vorliegenden Fall sind die zusätzlichen Masseelemente 26, 27 am Rande der Platte 18 befestigt. D.h., der Schwerpunkt der Masseelemente 26, 27 ist gegenüber der Drehachse P2 in x-Richtung bzw. in Richtung der Waferebene versetzt. Bei einer Beschleunigung in z- Richtung, d.h. senkrecht zur Waferebene bzw. zur Ebene des Sensormoduls 10 erfolgt eine Auslenkung bzw. Verkippung der zweiten Platte 18 in z-Richtung aufgrund der wirkenden Trägheitskräfte der zusätzlichen Masseelemente 26, 27. Die Platte 18 wird dabei um die in y-Richtung verlaufende Drehachse P2 verkippt. Es versteht sich von selbst, dass nicht zwingend auf der Oberseite und auf der Unterseite jeweils ein Masseelement angeordnet sein muß, um die Trägheitskräfte zur Messung der Beschleunigungen bzw. die Corioliskraft aufgrund einer Drehrate zu bewirken. Jedoch hat diese Anordnung mit symmetrisch auf der Oberseite und auf der Unterseite angeordneten Masseelementen sehr große Vorteile im Hinblick auf die Messgenauigkeit des Sensors, die durch den hohen Grad an Symmetrie wesentlich verbessert wird.
X" Im Deckelteil 13 und im Bodenteil 12, die im vorliegenden Fall aus Glas gefertigt sind, sind
Aussparungen 13a bzw. 12a vorgesehen, um die zusätzlichen Masseelemente 23, 24, 25, 26, 27 aufzunehmen. Dabei wird ein ausreichend großer Spielraum gewährt, so dass die
Schwenk- bzw. Kippbewegungen der Plattenelemente 17, 18 und der kardanischen
Struktur 14 ausgeführt werden können.
Das Halbleitersubstrat bzw. der Wafer 1 1 ist an seinen Randbereichen mit dem darunterliegenden Bodenteil 12 und dem darüberliegenden Deckelteil 13 fest verbunden. Durch diese Verbindung wird ein hermetisch abgeschlossener Innenraum 28 ausgebildet, in dem sich die beweglichen Strukturen des Wafers 1 1 befinden. Somit sind die in dem Wafer 1 1 ausgebildeten bzw. herausstrukturierten einzelnen Sensoren zur Messung von Beschleunigungen und Drehraten nach außen hin gasdicht bzw. flüssigkeitsdicht abgeschlossen. Im vorliegenden Fall wird eine druckdichte Verbindung hergestellt, wobei der Innenraum 28 evakuiert sein kann.
Sämtliche leitfähigen Gebiete zum Antrieb der Sensorelemente bzw. zur Auslesung von Kipp- oder Schwenkbewegungen der beweglichen Strukturen sind planar bzw. flächig auf der Oberseite des Bodenteils 12 angeordnet. Die leitfähigen Gebiete 19, 20, 21, 22 sind parallel zueinander und parallel zu den gegenüberliegenden Flächen des Mittelteils bzw. des Wafers 1 1 ausgerichtet.
Das leitfähige Gebiet 20 dient zum elektrostatischen Antrieb des inneren, wippenartigen Schwingelements 16 bzw. der kardanischen Struktur 14. Das leitfähige Gebiet 19 liegt dem äußeren, rahmenartigen Schwingelement 15 gegenüber und bildet ein Paar von Kondensatoren zur Auslesung der Kippbewegung bzw. Auslenkung des Rahmens 15. Dabei erfolgt eine gegenläufige Kapazitätsänderung, wodurch Messungenauigkeiten weitgehend reduziert werden können.
Das leitfähige Gebiet 21 ist flächig gegenüber der Unterseite der Platte 17 angeordnet und bildet zusammen mit der Platte 17 ebenfalls ein Kondensatorpaar, wobei auf jeder Seite der Drehachse P1 ein Kondensator ausgestaltet ist. Auch hier ergibt sich eine gegenläufige Kapazitätsänderung bei einer Auslenkung der Platte 17 und die Drehachse
X P1.
Das leitfähige Gebiet 22 ist ebenfalls flächig auf der Oberseite des Bodenteils 12 ausgebildet und parallel zur gegenüberliegenden Platte 18 ausgerichtet. Das leitfähige Gebiet 22 bildet auch hier zusammen mit der Platte 18 ein Kondensatorpaar, das bei einer Auslenkung der Platte 18 gegenläufige Kapazitätssignale erzeugt.
Elektrische Durchführungen 29 im Randbereich des Sensormoduls 10 stellen eine elektrische Verbindung zwischen den im Innenraum 28 liegenden Sensorelementen und außenliegenden elektrischen Anschlüssen 30 dar, über die der Anschluss von Stromversorgungs- , Steuerungs- und Signalauswertungseinheiten erfolgt.
Fig. 2 zeigt einen Teilbereich des Wafers 1 1 in einer Ansicht von oben, der durch seine Strukturierung die kardanische Struktur 14 bildet. In diesem Teilbereich sind gegenüberliegende äußere Schlitze 31, 32 und gegenüberliegende innere Schlitze 33, 34 ausgebildet. Dadurch ergibt sich die kardanische Struktur 14 mit einem äußeren, schwenkbar bzw. schwingbar gelagerten Rahmen, der das zweite Schwingelement 15 bildet, und mit einer innerhalb des Rahmens ausgeformten und beweglich bzw. schwenkbar daran gelagerten Wippe in Form einer Platte, die das erste Schwingelement 16 bildet. Jedes der Schwingelemente 15, 16 ist an schwingungsfähigen bzw. tordierbaren, gegenüberliegenden Aufhängungen 35, 36 bzw. 37,38 befestigt. Jedes Paar von gegenüberliegenden Aufhängungen 35, 36 bzw. 37, 38 bildet eine Drehachse P4 bzw. P3 für die kardanische Struktur 14, wobei die beiden Drehachsen P3, P4 senkrecht zueinander in der Waferebene bzw. Bauelementebene verlaufen. Fig. 3 zeigt die prinzipielle Ausgestaltung der leitfähigen Gebiete, die jeweils ein Paar von Elektrodenflächen 39 bilden. Die oben beschriebenen leitfähigen Gebiete 19, 20, 21, 22 sind vorteilhafterweise auf diese Weise ausgestaltet. Jede Elektrodenfläche 39 ist von einer geschlossenen Ringelektrode 41 umgeben. An jeder der Ringelektroden 41 befindet sich ein Anschluss 43 bzw. Anschlusspad zur elektrischen Kontaktierung der
Ringelektroden 41. Weiterhin ist an einem Ende jeder Elektrodenfläche 39 ein Anschluss
44 bzw. Anschlusspad für die jeweilige Elektrodenfläche vorgesehen.
X
In den Fig. 4 ist ein Randbereich des Inertialsensors 10 bzw. Sensormoduls in einer vergrößerten Schnittansicht gezeigt. Das Mittelteil 1 1 bzw. der Wafer ist über einen
Druckkontakt 45 mit dem Bodenteil 12 aus Glas verbunden. Dabei ist in diesem Bereich, wie oben beschrieben, eine druckdichte elektrische Durchführung vom Sensorinnenraum nach außen gewährleistet. Das Bodenteil 12 steht randlich gegenüber dem Mittelteil 1 1 etwas hervor, d.h. es ist ein Vorsprung ausgebildet, auf dessen Oberseite der Anschluß 30 in Form eines Anschlußpads durch geeignete Metallisierungen ausgestaltet ist.
Die Platten 17, 18 (siehe Figur 1), welche wie oben beschrieben Beschleunigungssensoren für die z-Achse und für die x-Achse und/oder y-Achse bilden, sind ähnlich wie die kardanische Struktur 14 jeweils an gegenüberliegenden Aufhängungspunkten bzw. Positionen an dem restlichen Wafer 1 1 befestigt. Sie sind somit ebenfalls als Wipp-
Element bzw. Wippen ausgestaltet und drehbar um eine Achse, die durch einen Bereich bzw. einen zentralen Bereich der jeweiligen Platte verläuft.
Es versteht sich von selbst, dass die Drehachsen P1, P2, P3, P4 der einzelnen Schwingelemente in den verschiedensten Raumrichtungen verlaufen können, so dass
Messempfindlichkeiten für Bewegungsgrößen in den verschiedensten Richtungen möglich sind. Ebenso ist es möglich, dass nur eine einzige Platte zusätzlich zur kardanischen Struktur 14 in dem Wafer 1 1 ausgestaltet ist.
Bei der Herstellung des mikromechanischen Inertialsensors wird in einem Wafer eine kardanische Struktur mit Technik der Mikromechanik herausstrukturiert. In demselben Wafer wird weiterhin mindestens eine zusätzliche Platte herausstrukturiert, die schwenkbar um eine in der Waferebene liegende Drehachse ist. Nun werden leitfähige Gebiete auf einem Wafer aus Glas, d.h. dem späteren Bodenwafer 12, aufgebracht, welche die späteren Anregungseinheiten für die kardanische Struktur 14 und die Ausleseeinheiten zur Messung der Plattenauslenkungen bilden. Auf dem strukturierten Wafer bzw. Halbleiterbauelement aus Silizium werden nun die oben beschriebenen, kugelförmigen Masseelemente in zuvor gefertigten Vertiefungen eingefügt und dort befestigt. Anschließend wird der strukturierte Wafer an seiner Unterseite mit dem darunterliegenden Wafer aus Glas verbunden, der die leitfähigen Gebiete trägt. Ein weiterer Glaswafer wird nun von oben auf den strukturierten Wafer gesetzt, wobei ein abgeschlossener Innenraum zwischen dem oberen und dem unteren Wafer entsteht.
Die Verbindung der Wafer erfolgt randlich über Druckkontakte, wobei elektrische Durchführungen nach außen ausgebildet werden. Der Sensormodul wird bevorzugt evakuiert.
Abschließend erfolgt eine Modulprüfung, d.h. es wird eine zusammengefasste Prüfung der einzelnen Sensorelemente bzw. des gesamten Moduls von Sensorelementen durchgeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanischer Inertialsensor, mit einer kardanischen Struktur (14), die zwei gekoppelte Schwingelemente (15, 16) mit im wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichteten Schwingungsachsen umfasst, einer Anregungseinheit (20) um daξuerste Schwingelement (16) in Schwingungen zu versetzen, und einer Einrichtung ( 19) zur Erfassung einer Auslenkung des zweiten Schwingelements (15), gekennzeichnet durch mindestens eine zusätzliche Platte (17, 18), die schwenkbar um eine Drehachse
(P1, P2) befestigt ist und durch eine senkrecht zur Drehachse wirkende
Beschleunigung auslenkbar ist, und eine Einrichtung (21, 22) zur Erfassung einer Auslenkung der Platte ( 17, 18), wobei die kardanische Struktur (14) und die mindestens eine Platte (17, 18) in einem einzigen Wafer (1 1) ausgebildet sind.
2. Mikromechanischer Inertialsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein oder mehrere zusätzliche Masseelemente (23, 24, 25, 26, 27), die an der kardanischen Struktur (14) und/oder an der Platte (17, 18) befestigt sind.
3. Mikromechanischer Inertialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens 3 Ebenen aufgebaut ist, wobei der Wafer (1 1) ein Mittelteilwafer ist, der zwischen einem Bodenwafer (12) und einem
Deckelwafer (13) befestigt ist.
4. Mikromechanischer Inertialsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelteilwafer (1 1) aus Silizium gefertigt ist und der Bodenwafer (12) und/oder der Deckelwafer ( 13) aus Glas gefertigt ist:
5. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kardanische Struktur (14) und die Platte (17, 18) gemeinsam in dem Wafer (1 1) hergestellt sind.
6. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wafer (1 1) tordierbare Aufhängungen (35, 36, 37, 38) für die kardanische Struktur (14) und/oder die Platte (17, 18) ausgeformt sind.
7. Mikromechanischer Inertialsensor nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Auslenkung der Platte (17,18) und/oder des zweiten Schwingelements (15) kapazitiv erfolgt.
8. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung der Auslenkung der
Platte (17, 18) und/oder des zweiten Schwingelements (15) mehrere kapazitive Elemente umfaßt, die derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung eine gegenläufige Kapazitätsänderung als Messsignal erzeugt wird.
9. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schwingelement (15) als Rahmen ausgestaltet ist und eine Drehachse (P4) aufweist, die in der Waferebene liegt und senkrecht zur Drehachse (P3) des ersten Schwingelements (16) ausgerichtet ist.
10. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schwingelement (16) mindestens zwei symmetrisch zur Waferebene ausgerichtete Masseelemente (23, 24) umfasst und eine parallel zur Waferebene liegende Drehachse (P3) aufweist.
1 1. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Platte (17) mindestens ein zusätzliches Masseelement (25) befestigt ist, wobei der gemeinsame Schwerpunkt von Platte (17) und zusätzlichem Masseelement (25) gegenüber der Drehachse (P1) der Platte (17) senkrecht zur Waferebene versetzt ist.
12. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Platte (17) durch das Zentrum der Platte (17) verläuft, wobei ein Masseelement (25) im Zentrum der Platte (17) angeordnet ist und aus der Waferebene herausragt.
13. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Platte ( 18) mindestens ein zusätzliches
Masseelement (26, 27) befestigt ist, wobei der gemeinsame Schwerpunkt von Platte (18) und zusätzlichem Masseelement (26, 27) gegenüber der Drehachse (P2) der Platte (18) in Richtung der Waferebene versetzt ist.
14. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch leitfähige Schichten, die planar und parallel zur Waferoberfläche ausgebildet sind.
15. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (1 1) in einem hermetisch abgeschlossenen Innenraum (28) liegt, wobei elektrische Durchführungen (29) zu außen liegenden Kontaktelementen (30) vorgesehen sind.
16. Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Masseelemente (23, 24,
25, 26, 27) kugelförmig sind und in Vertiefungen des Wafers (1 1) befestigt sind.
17. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Inertialsensors, mit den Schritten: Bereitstellen eines Wafers (1 1);
Bilden einer kardanischen Struktur (14) in dem Wafer (1 1) mit einem ersten und einem zweiten Schwingelement (15, 16); Bilden mindestens einer zusätzlichen Platte (17, 18) in dem Wafer (1 1), so dass sie schwenkbar um eine in der Waferebene liegende Drehachse (P1, P2) und durch
Beschleunigungskräfte auslenkbar ist;
Ausbilden einer Anregungseinheit (19), um die kardanische Struktur (14) zu
Schwingungen anzuregen; und
Ausbilden jeweils einer Einrichtung (20, 21, 22) zur Messung einer Auslenkung der
Platte (17, 18) und der kardanischen Struktur (14); wobei die kardanische Struktur
X (14) und die mindestens eine Platte (17, 18) durch Strukturieren eines einzigen
Wafers (1 1) mit Techniken der Mikromechanik in dem Wafer (1 1) gebildet werden
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein weiterer Wafer an der Oberseite und an der Unterseite des Wafers (1 1) angefügt werden, wobei ein hermetisch dichter Innenraum (28) zwischen den weiteren Wafern (12, 13) ausgestaltet wird, in dem die kardanische Struktur (14) und die Platte (17, 18) angeordnet sind.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zusätzliche Masseelementen (23, 24, 25, 26, 27) an der Platte (17, 18) und/oder an einem Schwingelement (15, 16) der kardanischen Struktur (14) befestigt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch eine abschließende Modulprüfung, bei der eine zusammengefasste Prüfung einzelner Sensorelemente und des gesamten Moduls von Sensorelementen durchgeführt wird.
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