專利名稱：轉(zhuǎn)速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在硅器件中作為微機械構(gòu)件用的轉(zhuǎn)速傳感器。
轉(zhuǎn)速傳感器(陀螺儀)用來測量角速度。機械陀螺儀從功能上講相當于一個羅盤，通過一個旋轉(zhuǎn)體的精密運動，測量所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運動。當這樣的一種結(jié)構(gòu)沿著一個位于和旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸垂直的軸旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一種沿著一條垂直于另外兩個轉(zhuǎn)軸的一條直線的旋轉(zhuǎn)運動。受這種旋轉(zhuǎn)影響的轉(zhuǎn)矩強度是度量該整個系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動的一個尺度。在一種不可能進行、或者不希望進行完整旋轉(zhuǎn)運動的系統(tǒng)中，可以用一種擺動旋轉(zhuǎn)運動來替代陀螺儀的自由旋轉(zhuǎn)。在US 5,313,835和US 5,377,544中介紹了一種微機械陀螺儀，其中有一個用彈簧支撐的環(huán)件是用這樣的方式固定在基片上的，即當在為此所備的電極上施加一個適當?shù)碾妷簳r，通過靜電力的作用，能夠使環(huán)件處于一種擺動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，另外還在環(huán)件的上方和下方備有電極，用來檢測環(huán)件偏離該旋轉(zhuǎn)平面的情況。還介紹了一種另外的檢測方法，利用一個閉合電路對于轉(zhuǎn)子可能發(fā)生離開它的旋轉(zhuǎn)平面的偏離加以完全補償，并且根據(jù)為此所需的電壓求出轉(zhuǎn)矩的大小。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種微機械轉(zhuǎn)速傳感器，在可在VSLI兼容的優(yōu)越工作特征的范圍內(nèi)，能以采用表面微力學的方法進行制造。
此項任務(wù)通過具有權(quán)利要求1特征的轉(zhuǎn)速傳感器進行解決。其余的結(jié)構(gòu)從從屬權(quán)利要求中可知。
按照本發(fā)明的機械式轉(zhuǎn)速傳感器具有一種環(huán)形結(jié)構(gòu)，備有一個較粗的橫梁，橫梁是沿著該環(huán)件的一個直徑設(shè)置的。俯視這個有橫梁的環(huán)件，好象是一個輻輪。所有的輻條彼此保持一段距離，從環(huán)件上延伸到這兩條成為一條直線的輻條上。這兩條將環(huán)件補充完整的輻條首選用硅制造，形成的直線在以后以及在權(quán)利要求中統(tǒng)一稱為橫梁，也作為將環(huán)件固定在基片上之用。環(huán)件必須能夠沿著中軸，也就是說沿著穿過環(huán)件的中點，并且垂直于環(huán)件平面的軸作擺動旋轉(zhuǎn)。還必須能夠通過離開環(huán)件的平面偏離環(huán)件的正常位置傾斜。在采用本發(fā)明時，轉(zhuǎn)速傳感器呈現(xiàn)沿著平行于環(huán)件在靜止狀態(tài)下的橫梁位置的一個軸線傾斜。利用這樣的轉(zhuǎn)速傳感器可以檢出沿著垂直于環(huán)件的中軸并且垂直于環(huán)件在靜止狀態(tài)時橫梁的軸線一種旋轉(zhuǎn)運動。
環(huán)件所需的彈簧支吊是通過彈簧支撐件實現(xiàn)的。其一端裝在橫梁上，另一端固定在基片上的錨固件上。這種彈簧支撐首選在盡可能靠近環(huán)件中點的橫梁部位；在基片上的錨固件也同樣首選在盡可能靠近環(huán)件的中心。利用一個轉(zhuǎn)子，也就是由一個環(huán)件和一個剛性盡可能大的、沿著一條直徑走向的橫梁構(gòu)成的轉(zhuǎn)子有這樣的優(yōu)點，即它不會產(chǎn)生、或者僅只存在小到可忽略不計的對彈簧復(fù)位的非線性補償。在這方面特別重要的是，橫梁的剛性要好，特別是與支撐它的彈簧支撐件相比要盡可能好。最好是通過橫梁所備有的寬度加以實現(xiàn)。在傾斜角小的狀態(tài)下，對于旋轉(zhuǎn)剛性的相對改變對于本實施結(jié)構(gòu)的影響特別小。旋轉(zhuǎn)剛性的相對改變越大，與支撐件的線性關(guān)系越小，以此所做的檢測的可靠性越小。另一方面，如果所選用的橫梁的寬度不足，則不能盡可能對于作為支撐件所具備的支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。
彈簧的形狀和結(jié)構(gòu)也對按照本發(fā)明的優(yōu)越功能很是重要。首選多晶硅作為活動件的用料。如果環(huán)件只能夠這樣制造，即在制造時使環(huán)件產(chǎn)生拉應(yīng)力，則應(yīng)使橫梁的支撐點盡可能遠離環(huán)件的中點，也就是要靠近環(huán)圈。如果產(chǎn)生壓應(yīng)力，則應(yīng)將支撐件的錨固件盡可能遠離環(huán)件。在實際的實施結(jié)構(gòu)中，首先遇到的是上述的第二個問題，即，也就是錨固件要盡可能向內(nèi)設(shè)置。另外，必須要保證環(huán)件有足夠的旋轉(zhuǎn)運動。錨固件也必須設(shè)置在距離橫梁足夠遠的部位，從而使環(huán)件可以沿著它的中軸作足夠的旋轉(zhuǎn)運動。具有特別重要意義的要屬橫梁和橫梁支撐點之間的夾角。擺動的檢測是沿著橫梁的軸線進行的。根據(jù)所選橫梁和彈簧支撐件的支撐點之間夾角的大小，環(huán)件在偏離它在靜止狀態(tài)下的橫梁的軸線時會使彈簧支撐件產(chǎn)生彎曲或扭曲。由于扭曲擺動較彎曲擺動的柔性小(回彈扭矩與偏離角呈線性關(guān)系時的彈性系數(shù)小)，通過適當選擇圖示的角度，能以將沿著橫梁軸線的旋轉(zhuǎn)擺動的固有頻率作適當?shù)恼{(diào)整，從而使沿著中軸旋轉(zhuǎn)擺動的固有頻率與沿著橫梁軸線的檢測擺動彼此特別適配。
以下參閱

圖1及圖2對本發(fā)明的轉(zhuǎn)速傳感器作詳細說明。
圖1所示是按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖2所示是按照本發(fā)明的傳感器的側(cè)視圖。
輪件是通過最少兩個側(cè)位驅(qū)動電極沿著(垂直于圖1的圖面)其中心軸作擺動旋轉(zhuǎn)設(shè)置的。為了此目的，首先要在輪件的外側(cè)設(shè)置一個支架。在這個支架可以做成橫梁或支耳狀的結(jié)構(gòu)。在這個支架上裝設(shè)電極。在電極的對面、在輪件的平面上，或者在該平面的上方或下方有一個相對于基片牢固固定的對電極。如果對電極是裝在環(huán)件的平面上，將裝在環(huán)件上的和裝在基片上的電極結(jié)構(gòu)做成梳裝結(jié)構(gòu)是有益的。當成對的對電極是以同樣的距離裝在輪件上方和下方時，采用將固定在基片上的對電極的位置設(shè)在輪件平面的上方或下方是有益的。圖1中所示作為驅(qū)動電極用的相應(yīng)的對電極使裝在圖示橫梁的延長軸上。在這個示例中，在每個驅(qū)動結(jié)構(gòu)中總共在基片接了4個作為驅(qū)動電極用的電極。在環(huán)件的上方和下方以及在兩個轉(zhuǎn)動方向上都分別都裝了一個這樣的電極。如果采用這樣的結(jié)構(gòu)，要想使固定在環(huán)件1上的電極和固定在基片上、位于環(huán)件平面上方和下方的電極保持同樣精確的距離是不可能的。因此，就要設(shè)法再加裝控制電極c，d，通過施加電壓產(chǎn)生的靜電力，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在中間位置上。為了達到這個目的，通過容性差示測量，根據(jù)裝在環(huán)件上的每個電極和位置設(shè)在環(huán)件上方和下方、固定在基片上的電極構(gòu)成的電極對，求算出轉(zhuǎn)子的精確位置。通過在電極對上施加附加電壓，就可以將環(huán)件找正在它的中間位置上。這種附加的穩(wěn)定方法不但能夠用來防止環(huán)件偏離旋轉(zhuǎn)平面失衡，還能夠在結(jié)構(gòu)形狀中采用梳狀結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電極。
環(huán)件通過裝彈簧的支撐件10懸掛在裝在基片上的錨固件9上。支撐件裝在橫梁11上。首選的方式是盡可能將支撐件10連同橫梁11固定在接近環(huán)件1的中點。當在轉(zhuǎn)子中有壓應(yīng)力存在時，同樣要將錨固件9裝在接近環(huán)件1的中點處。支撐件10的強度和長度要這樣設(shè)計，即要使其起到所要求的彈性作用。首選的方式是將支撐件10至少做成兩條沿著接近于環(huán)件半徑走向的部件。圖1所示支撐件的走勢取決于錨固件9的配置方式以及支撐件10和橫梁10之間的夾角，并不完全和圖中所示的結(jié)構(gòu)相同，而僅只是沿著近似于一條半徑的走向。
通過驅(qū)動電極a，也可能是通過如圖示在橫梁11的范圍內(nèi)所附加的電極對，使環(huán)件1沿著垂直于圖面的中心軸作旋轉(zhuǎn)擺動。當在垂直于圖面的橫梁11的軸線的走向產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩時，使正在作旋轉(zhuǎn)擺動的輪件1沿著橫梁的軸線傾斜。通過固定在基片上位于環(huán)件平面上方和下方的檢測電極e檢出這樣的傾斜。由于環(huán)件的彈性支吊使這樣的傾斜同樣會導致產(chǎn)生一種擺動的旋轉(zhuǎn)動作。為了驗證這樣的擺動，通過對于由設(shè)在環(huán)件上的一個電極和位于基片上方或下方的一個電極構(gòu)成的電極對進行容性差示檢測，檢出該環(huán)件在這樣的擺動中偏離其靜止狀態(tài)的程度。為了達到高的檢測靈敏度，必須盡可能擴大電極面積。除了這種檢測方法(開環(huán)法)以外，還可以采用閉合電路(閉環(huán)法)。當采用閉環(huán)操作時，要通過施加適當大小的補償電壓，使環(huán)件保持在其靜止狀態(tài)平面的位置上，測出為此所需的一種或多種電壓，求出測量結(jié)果。
在圖1所示的實施結(jié)構(gòu)中，在橫梁11上另外還備有作為控制擺動振幅和相位的電極b用的電極。在按照本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)中，在傳感器上可以將圖1中所示的全部電極對的一整半省略不用。對于環(huán)件偏離它的平面的傾斜度可以例如通過在驅(qū)動電極上施加適當?shù)难a償電壓加以抑制。因此能夠?qū)φ請D1所示實施結(jié)構(gòu)將現(xiàn)存電極加以簡化，或者按照某些要求作相應(yīng)改動。
為了將沿著中軸旋轉(zhuǎn)擺動的振幅擴大到最大限度，利用系統(tǒng)的共振頻率激發(fā)環(huán)件沿著中軸旋轉(zhuǎn)擺動是有益的。在此情況下，由線路工程產(chǎn)生的共振頻率必須與轉(zhuǎn)子沿著中軸旋轉(zhuǎn)的固有頻率相適配。另外還可以在共振狀態(tài)下驅(qū)動由于受到為檢測旋轉(zhuǎn)運動而產(chǎn)生的科里奧利力作用的、沿著平行于橫梁11的軸旋轉(zhuǎn)擺動。由于此時是一種強制擺動，其頻率與激發(fā)沿著中軸旋轉(zhuǎn)的擺動的頻率相同，所以在這種特定的實施結(jié)構(gòu)的狀態(tài)下需要將轉(zhuǎn)子的啟動擺動和檢測擺動的特性頻率調(diào)整一致。可以采用較為簡單的辦法將這種特定頻率調(diào)整一致，即在電極對上另外施加電壓。通過在電極上施加電壓，由于靜電力的作用而激發(fā)的擺動可以通過在用于為激發(fā)擺動所設(shè)的電極上施加額外的電壓而使其在其特性頻率狀態(tài)下發(fā)生變化。這是在對傳感器進行電子控制時所用的方法，用來使上述的特性頻率彼此適配。當啟動擺動和檢測擺動的特性頻率至少接近一致時適合于采用這種辦法。為了增強諧振效果的品質(zhì)，可以在真空中操作轉(zhuǎn)速傳感器。為了達到此目的，可以將轉(zhuǎn)速傳感器裝在一個外殼中。
如果必須要在穩(wěn)定狀態(tài)下激發(fā)傳感器，也就是說必須要在現(xiàn)有的電極上施加電壓，使環(huán)件平面保持在它的原有位置上，并且使閉環(huán)路操作和檢測擺動受到抑制，就不能夠在諧振操作下測取檢測擺動。這種困難可以采用這種辦法避開，即沿著中軸的旋轉(zhuǎn)擺動在規(guī)定的時間間隔內(nèi)與環(huán)件平面的穩(wěn)定化處理同時進行。利用驅(qū)動電極在最大振幅下激發(fā)旋轉(zhuǎn)擺動。在處于這樣的激發(fā)相下，可以通過在所設(shè)的電極對上施加適當電壓產(chǎn)生靜電力，將環(huán)件穩(wěn)定在它的靜止位置的平面上。經(jīng)過激發(fā)之后，即將所施加的電壓切斷。這樣就形成使擺動環(huán)件進行擺動的相位。在處于擺動相位期間，產(chǎn)生沿橫梁的軸線的檢測擺動。這樣就形成明顯的優(yōu)點，即激發(fā)環(huán)件沿著中軸的擺動品質(zhì)(擺動曲線較窄、較陡，就是明顯的擺動)大大高于沿著橫梁軸線的檢測擺動的品質(zhì)。這就意味著擺動相的持續(xù)時間(時間的長短與品質(zhì)的乘積)夠用，在此時間內(nèi)完全能夠形成檢測擺動。在另一個實施例中采用交替使用傳感器的驅(qū)動操作和檢測操作。這兩個相的持續(xù)時間可以首選例如10ms左右。
按照本發(fā)明的轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)能夠使該傳感器設(shè)置在一個VLSI-程序范圍以內(nèi)，連同操作所需的電子電路集成在一塊芯片上。制造主要是用一個標準VLSI程序。為了制造傳感器，僅只要在該標準程序中額外插入不多的幾個制造步驟。
在圖2所示的一個實施例的剖面圖中，在一塊基片上制造一個半導體摻雜區(qū)5，其中備有作為下對電極用的，例如，驅(qū)動電極或者檢測電極。同時還可以用來制造另一個供設(shè)置電子組件用的摻雜區(qū)。在一個CMOS程序的范圍內(nèi)制造例如供設(shè)置MOSFET的源極和漏極用的摻雜區(qū)。在上表面的一側(cè)淀積一層輔助層。在這層的整個面積上首先淀積一整層準備制造環(huán)件用的材料，然后進行適當?shù)某尚图庸ぁ＠眠@一層件首選制造彼此互相關(guān)聯(lián)的環(huán)件1、橫梁11、彈簧支撐件10和錨固件9。為了使錨固件9能夠牢固固定在基片上，最好是在敷設(shè)用來制備環(huán)件的層件之前，預(yù)先在輔助層上開出一個開孔，然后再用供制備環(huán)件用的材料填滿。利用這種辦法將環(huán)件通過支撐件和錨固件連接在基片的上表面上。如果選用多晶硅制作為此所用的層件，還可以一并淀積一層供MOSFET的柵電極用的多晶硅層。這樣的一層層件首選制成大約400nm的厚度。也可以在淀積一層供電子組件用的多晶硅之后另外再淀積一層供設(shè)置環(huán)件用的硅層或多晶硅層。在此情況下，要將基片上的電子組件用一層氧化硅層或其他的保護層蓋住。在對為傳感器所設(shè)的轉(zhuǎn)子進行結(jié)構(gòu)加工時，要將電子部件上方的為此所敷設(shè)的硅層或多晶硅層完全去除。供轉(zhuǎn)子用的層件要進行導電摻雜。
在一個優(yōu)選制造實施例中，用硅在CMOS程序范圍內(nèi)制成層厚例如700nm的場氧化物，利用氧化物層作為輔助層。為了制備傳感器用的轉(zhuǎn)子，要將這樣的一層用硅或多晶硅做的輔助層有選擇的除掉。經(jīng)過對轉(zhuǎn)子進行成型加工之后，在輔助層上面淀積一層上輔助層，這一層層件也是用氧化物制成的。在CMOS的制造方法范圍內(nèi)，使用BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)制的、層厚1000nm的層件。在這層輔助層件上有時候要反向蝕刻掉一個適當?shù)暮穸?。在摻雜區(qū)中刻蝕出一個供導電連接用的接觸孔和一個不活動的轉(zhuǎn)子錨固件，并且用作為連接觸點用的材料填滿。
用金屬、有時候用摻雜多晶硅淀積一層層件，并且進行結(jié)構(gòu)加工，借以制成供驅(qū)動和檢測用的電極。位于轉(zhuǎn)子上方和下方的兩層輔助層最早要在淀積和結(jié)構(gòu)加工之后再用蝕刻劑(氧化硅例如用含HF的蝕刻劑)將其蝕掉，以備敷設(shè)上方對電極之用。有利之處在于，當在對環(huán)件進行結(jié)構(gòu)加工而又要附帶制造蝕刻孔6的時候，蝕刻劑也會通過這個蝕刻孔6流到環(huán)件1的下方。這樣就容易將下方的輔助層除掉。凡是在基片上經(jīng)過結(jié)構(gòu)加工的層件，剩下的一部分輔助層可以留在該處不動。。這樣的支撐部位可以是例如在錨固件下方的部位。敷設(shè)的金屬層也可以用作覆蓋層，當經(jīng)過蝕刻蝕到基片時，可以用立柱支撐，例如可以用金屬(例如鎢)將接觸孔填滿制成支撐立柱。在圖2中所示，就是未被加工成對電極而起到覆蓋層或保護層作用的金屬層4的部分通過立柱7將其支撐在基片上。在金屬層4中，在經(jīng)過結(jié)構(gòu)加工的部分或蝕刻孔6之間的夾層部分的輔助層被這樣除掉，從而使環(huán)件作為轉(zhuǎn)子足以能夠活動。為了支撐轉(zhuǎn)子的活動部分，下方的輔助層2的剩余部分以及在基片和其他敷設(shè)層件之間的上輔助層3保持不動。在蝕刻出活動的轉(zhuǎn)子之后，傳感器可以通過淀積另一層層件8(例如氧化物或氮化物)作氣密密封和/或鈍化。上述的制造方法適用于利用平行制造工序制造轉(zhuǎn)速傳感器的微機械構(gòu)件及其附屬的電子構(gòu)件的方法。為此還可以采用另一種集成度更高的構(gòu)件制造方法，就是先制造一部分(電子或機械)，然后制造另一部分。為此要將業(yè)已制好、以后又一定不要除掉的部分采用掩膜掩蔽(例如用氮化物)。
權(quán)利要求
1.作微機械構(gòu)件用的轉(zhuǎn)速傳感器，有一個環(huán)件(1)，—該環(huán)件沿著一條直徑備有一個橫梁(11)，—該環(huán)件用彈簧支撐件(10)和錨固件(9)固定在基片上，—該支撐件的結(jié)構(gòu)形狀和錨固件的設(shè)置方式為使環(huán)件的旋轉(zhuǎn)運動能夠總是沿著其中軸和沿著橫梁按照兩個方向至少保持一個預(yù)定的角度進行，—在環(huán)件上以及在其附近的基片上備有用于啟動沿著中軸的旋轉(zhuǎn)擺動以及用于檢測沿著橫梁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩用的電極(a，e)。
2.如權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，環(huán)件和彈簧支撐件是用多晶硅制成的。
3.如權(quán)利要求1或2的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，錨固件(9)與環(huán)件中心的距離小于環(huán)件內(nèi)徑的十分之一設(shè)置。
4.如權(quán)利要求1至3之一的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，支撐件是按照與環(huán)件中心的距離小于環(huán)件內(nèi)徑四分之一的距離裝在橫梁上的。
5.如權(quán)利要求3或4的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，彈簧支撐件分別是兩個至少近似于沿著環(huán)件半徑的走向的部件。
6.如權(quán)利要求1至5之一的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，在基片上的電極是裝在位于環(huán)件所在平面的上方或下方。
7.如權(quán)利要求1至5之一的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，在基片上的電極是裝在位于環(huán)件所在的平面上。
8.如權(quán)利要求1至7之一的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，其他電極(b，c，d)裝在環(huán)件上和基片上，其中，裝在基片上的其他電極是裝在環(huán)件所在平面的上方或下方，裝在環(huán)件上所裝其他的電極的上方或下方。
9.如權(quán)利要求1至8之一的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，集成為操作所需的電子電路，備有下列用途的電路，一種是用于產(chǎn)生激發(fā)旋轉(zhuǎn)擺動所需的交流電壓，產(chǎn)生具有此其他電壓的電路，即在傳感器為此所需的電極上施加這些其他電壓時，對于環(huán)件離開其靜止位置的偏離量加以補償。
10.如權(quán)利要求1至8之一的轉(zhuǎn)速傳感器，其中，集成用于為操作所需的電子電路，備有下列用途的電路，一種是用于產(chǎn)生激發(fā)旋轉(zhuǎn)擺動所需的交流電壓，產(chǎn)生具有此其他電壓的電路，即在傳感器為此所需的電極上施加這些其他的電壓時，使環(huán)件沿著橫梁的本征擺動與環(huán)件沿著其中軸的本征擺動以規(guī)定的精確度相適配。
全文摘要
作為微機械構(gòu)件使用的轉(zhuǎn)速傳感器。環(huán)件(1),備有的一個剛性橫梁(11)用撓性支撐件(10)和錨固件(9)以這樣的方式支撐在基片上,能夠沿著其中軸作旋轉(zhuǎn)運動;當其受到外來扭矩作用時,能夠沿著橫梁傾斜。通過設(shè)在環(huán)件和基片上的電極能夠施加電壓,激光環(huán)件沿著它的中軸轉(zhuǎn)動,檢測沿著橫梁的旋轉(zhuǎn)擺動。還可以在環(huán)件和基片上添加電極,產(chǎn)生靜電力,將環(huán)件穩(wěn)定在它的靜止位置上。
文檔編號G01C19/56GK1286751SQ97199993
公開日2001年3月7日 申請日期1997年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月22日
發(fā)明者H·卡佩爾斯, C·希爾羅德, M·斯特格, T·謝特, R·諾埃, U·奈赫 申請人:西門子公司