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.