6 01.02.2005 - 31.03.2007 01.02.2005 - 31.03.2007 Villingen, 17.07 ...

Name der Forschungsstelle(n) AiF-Vorhaben-Nr. / GAG
Schlussbericht für den Zeitraum : .
Forschungsthema :
zu dem aus Haushaltsmitteln des BMWA über die
geförderten IGF-Forschungsvorhaben
Normalverfahren
Fördervariante ZUTECH
Bewilligungszeitraum
Für ein ZUTECH-Vorhaben sind folgende zusätzliche Angaben zu machen:
Der fortgeschriebene Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft
ist beigefügt
liegt bereits vor
wird fristgerecht nachgereicht
Ort, Datum Unterschrift der/des Projektleiter(s)
Stand: Juni 2005 IGF-Vordruck der AiF [4.1.10]

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
Inhaltsverzeichnis
1 Forschungsthema .......................................................................................................2
2 Zusammenfassung......................................................................................................2
3 Motivation und Forschungsziel...................................................................................3
4 Stand von Forschung und Technik..............................................................................4
5 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse......................................................................7
5.1 Entwicklung eines Technologiekonzepts..............................................................7
5.2 Entwicklung einer Antriebsbewegung in z-Richtung ............................................9
5.3 Realisierung der primären Biegebalken..............................................................10
5.4 Entkopplung von Antrieb und Detektionsschwingung........................................11
5.5 Simulation und Layout der Sensorstrukturen......................................................12
5.6 Technologische Charakterisierung.....................................................................14
5.7 Messtechnische Charakterisierung.....................................................................15
6 Ergebnisbewertung ...................................................................................................17
7 Innovativer Beitrag der Projektergebnisse .................................................................17
8 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten der Projektergebnisse für kmU.....................18
9 Veröffentlichungen im Rahmen des Vorhabens.........................................................19
10 Förderung.............................................................................................................19
11 Durchführende Forschungsstelle ...........................................................................19
12 Literaturverzeichnis ..............................................................................................20
Hahn-Schickard-Gesellschaft 1

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
1 Forschungsthema
Drehratensensor mit sensitiver Achse in Chip-Ebene (In-plane Detektion)
2 Zusammenfassung
Ziel des aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie
(BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von
Guericke" e.V. (AiF) geförderten Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines
mikromechanisch hergestellten Drehratensensors mit sensitiver Achse in Chip-Ebene, auf
Basis eines auf bestehenden SOI-Technologien am HSG-IMIT weiterentwickelten
kostengünstigen Herstellprozesses. Zukünftig wird dadurch die Umsetzung von multiaxialen
inertialen Messeinheiten auf einem Chip, ohne die räumliche Anordnung mehrerer
Ein-Achsen-Sensorstrukturen zueinander möglich sein.
Über das Projektziel hinaus konnte innerhalb dieses Forschungsvorhabens bereits ein
3-axialer Drehratensensor realisiert werden.
Auf Basis analytischer Betrachtungen des neuartigen Antriebskonzepts sowie aller
relevanten leistungsbeeinflussenden Parameter und deren Simulation im Gesamtsystem
wurden in der Ebene sensitive Sensordesigns entwickelt und durch die Verwendung einer
in der Industrie bereits etablierten und nur geringfügig adaptierten SOI-Technologie
hergestellt. Die technologische Charakterisierung zeigt, dass die Implementierung dieser
zusätzlichen Prozessschritte zur Herstellung der neuen Strukturen mit sehr guten
Resultaten erzielt werden kann. Die Messergebnisse zeigen im Vergleich zu den
bestehenden aus der Ebene heraus sensitiven Sensoren adäquate Leistungsdaten der neuen
Strukturen. Weitere Verbesserungen der Leistungsdaten können mit geringem Aufwand
erzielt werden. Somit stellen die in diesem Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse eine
gute Basis dar um in weiterführenden Projekten mit Partnern aus der Industrie eine zügige
Überführung in mögliche Produkte zu gewährleisten.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Hahn-Schickard-Gesellschaft 2

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
3 Motivation und Forschungsziel
Um die physikalische Größe der Winkelgeschwindigkeit ohne Verwendung einer äußeren
Referenz, das heißt Drehungen im freien Raum zu detektieren, werden Drehratensensoren
seit Jahrzehnten eingesetzt. Ihr Einsatzgebiet finden sie in der Navigation von Flugzeugen,
Schiffen, in der Luft- und Raumfahrt, aber auch in stark zunehmender Weise im Automobil
und Mobiltelefonbereich. Durch die Erschließung dieser neuen Märkte wurde eine
Kostenreduktion und Miniaturisierung zwingend erforderlich. Die Preise der wesentlich
kostengünstiger als mechanische Kreisel herzustellenden Ringlasergyroskope (RLG) und
Faseroptischen Gyroskope (FOG) liegen für die kostengünstigsten FOG jedoch immer noch
im mittleren dreistelligen Eurobereich und aufgrund ihres Funktionsprinzips ist eine
weitere Miniaturisierung nicht mehr möglich. Es mussten mikromechanische
Fertigungsverfahren gefunden werden, um in hohen Stückzahlen im Automobil- und
Mobiltelefonbereich Anwendung zu finden. MEMS Beschleunigungs- und
Drehratensensoren kommen dabei mittlerweile immer häufiger zum Einsatz. Die
Wachstumsrate der Marktdurchdringung dieser Komponenten liegt derzeit im Bereich von
10 bis 15 % pro Jahr [1]. Die Realisierung von inertialen Messeinheiten (engl.: Inertial
Measurement Units, IMU ) zur Detektion von Drehraten und Beschleunigungen in allen
drei Raumrichtungen rückt nun verstärkt in den Fokus der Industrie, wobei vornehmlich
kleine und leichte Sensoreinheiten ohne Einschränkung in ihrer Leistungsfähigkeit durch
die Miniaturisierung bei möglichst geringen Herstellungskosten ihren Einsatz finden sollen.
Existierende Sensorcluster bestehen daher im Allgemeinen aus einem Verbund mehrerer
Ein-Achsen-Sensorstrukturen, um ein Überkoppeln der einzelnen sensitiven Achsen zu
vermeiden, sowie den Einfluss der technologischen Toleranzen zu verringern. Ein großes
Problem bei der Fertigung solcher „Sensorcluster“ stellt, bedingt durch das räumliche
Anordnen der drei Sensoren entsprechend ihrer sensitiven Achsen, die Genauigkeit der
Winkellagen zueinander sowie der durch die Aufbau- und Verbindungstechnik zusätzlich
induzierte Stress, dar. Daneben ist dieses Vorgehen zeit- und kostenintensiv und die
Abmessung bzw. das Bauvolumen der Einheit ist stets relativ groß. Aufgrund dieser
Einschränkungen liegt die Anordnung der Chips in einer Ebene, beziehungsweise eine
„Ein-Chip-Lösung“, bei der sämtliche Sensoren auf einem Chip realisiert werden, nahe.
Um solch einen Lösungsansatz verwirklichen zu können wurde in diesem Projekt
aufbauend auf bestehenden Sensorstrukturen ein neues Sensorkonzept entwickelt, das eine
In-plane-Detektion (sensitive Achse in Chip-Ebene, in-plane sensitiv ) von Drehraten
ermöglicht und mittels bestehender kostengünstiger SOI - (engl.: Silicon On Insulator)
Fertigungsverfahren hergestellt werden kann.
90°
90°
90°
Forschungsziel
Abbildung 1: Herkömmliche und zu erzielende Anordnung der Sensoren
Hahn-Schickard-Gesellschaft 3

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
4 Stand von Forschung und Technik
Zur mikrotechnischen Erfassung einer Beschleunigung wird meist ein schwingungsfähiges
Feder-Masse-System verwendet. Drehratensensoren hingegen, die auf dem Coriolis-Effekt
beruhen, benötigen zwei orthogonal zueinander schwingende Feder-Masse-Systeme. Das
erste Schwingungssystem wird oszillierend angeregt. Mit Anliegen einer Drehrate führt nun
das zweite Schwingungssystem aufgrund des Coriolis-Effektes ebenfalls eine Oszillation
durch. Diese zweite Oszillation ist proportional zur Drehrate und wird als Messgröße
herangezogen.
Werden nun Drehratensensorsysteme mit zwei- oder drei Messachsen betrachtet, so ist zu
erkennen, dass dies eine besondere Herausforderung darstellt. Eine Möglichkeit zur
gleichzeitigen Erfassung von drei Drehraten besteht darin, dass ein einziges schwingendes
Masseelement in allen drei Raumrichtungen sowohl angeregt als auch dessen Bewegung
detektiert wird. In [2] wird ein solches Konzept basierend auf einer so genannten Vibrating
Shell-Struktur vorgestellt. Neben der enormen Größe einer solchen Struktur mit einer
Kantenlänge von 1-2cm [2], stellt hier auch das oben erwähnte Überkoppeln ein Problem
dar. Eine Alternative ist deshalb darin zu sehen, je ein Sensorelement für jede Messachse
separat auf einem Siliziumchip zu platzieren.
Im Folgenden wird der aktuelle Stand der Technik zur Realisierung von mehraxialen
Drehratensensoren auf einem Siliziumchip aufgeführt. Berücksichtigt man die Funktion
eines Drehratensensors bedeutet dies, dass für alle drei Messachsen, die Strukturen sowohl
in der Substratebene als auch aus der Substratebene heraus angeregt bzw. detektiert
werden müssen. Die meisten der eingesetzten Technologien basieren auf
oberflächenmikromechanischen Prozessen, insbesondere auf trockenreaktivem Ionenätzen
(engl.: Deep Reactive Ion Etching, DRIE ).
Mit einem so genannten Post-CMOS Fertigungsprozess können Strukturbewegungen aus
der Substratebene heraus erzielt werden, indem mehrere Metalllagen auf den
Kammstrukturen zur Realisierung von Vertikalkräften herangezogen werden [3] (Abbildung
2). Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass durch die CMOS-Kompatibilität eine
integrierte Elektronik mit eingebracht werden kann. Allerdings führen die geringen
Kapazitätsänderungen und die intrinsischen Schichtspannungen zu einer relativ geringen
Leistungsfähigkeit des Sensors (Abbildung 3).
Abbildung 2: CMOS-MEMS-Prozess mit Mehrlagenschichten
aus Metall [3]
Abbildung 3: REM-Aufnahme mit Strukturverwölbung
durch den intrinsischen Schichtstress
[3]
Eine andere Möglichkeit, um Strukturbewegungen aus der Ebene heraus detektieren zu
können, bietet die Poly-Silizium-Technologie mit vergrabenen Elektroden [4]. Abbildung 4
zeigt ein Sensorprinzip eines rotierenden Schwingersystems um die Hochachse
(Antriebsschwingung). Die Schwingung zur Erfassung der Coriolis-Kraft erfolgt nun in der
Hahn-Schickard-Gesellschaft 4

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
Ebene (rotatorisch um die x-Achse) und wird mit den vergrabenen Elektroden detektiert.
Der minimale Spaltabstand zwischen der bewegten Struktur und der vergrabenen
Elektrode beträgt 1-2 μm. Dies spiegelt sich in ausreichenden Kapazitätsänderungen wider.
Ein Nachteil dieser Technologie kann in den verbleibenden Schichtspannungen des
abgeschiedenen Poly-Siliziums (10 μm) gesehen werden.
Abbildung 4: Schematische Darstellung eines
Drehratensensors basierend auf einer Poly-Silizium-
Technologie mit vergrabenen Elektroden [4]
Abbildung 5: REM-Aufnahme des Drehratensensors
in Poly-Silizium-Technologie [4]
Ein ähnliches Konzept ist in [5] aufgeführt (Abbildung 6). Eine 6 μm hohe
Anregungseinheit (drive mass) führt Schwingungen aus der Ebene heraus durch. Die
Messung der Coriolis-Kraft erfolgt in der Substratebene. Die Strukturbewegung (Anregung)
aus der Substratebene heraus wird dabei mittels langen, abgewinkelten Federelementen
erzielt. In Bezug auf die Querempfindlichkeit und die Einkopplung von
Fehlerschwingungen ist dies eher als nachteilig zu sehen. Zudem liegt hier kein
differentielles Antriebskonzept vor.
Abbildung 6: Schematische Darstellung des
Sensordesigns basierend auf Poly-Silizium und
CMOS [5]
Abbildung 7: Skizze einer Drehratensensorstruktur
mit Torsionsbalken für die Anregungsschwingung aus
der Substratebene heraus [6]
Ein interessanter Ansatz stellt die Drehratensensorstruktur basierend auf einem
SOI-Substrat mit einer aktiven Siliziumschicht von 30 μm dar (Abbildung 7) [6]. Wiederum
erfolgt die Strukturanregung aus der Ebene heraus, während die Coriolis-Detektion in der
Ebene durchgeführt wird. Die Strukturanregung wird mit Torsionselementen ausgeführt.
Dies hat den Vorteil, dass kein Technologieschritt für eine Strukturabdünnung erforderlich
ist. Eine Abdünnung in den Bereichen der Biegeelemente wäre dann in Betracht zu ziehen,
Hahn-Schickard-Gesellschaft 5

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
sofern die Struktursteifigkeit der Biegeelemente zu hoch wäre. Allerdings können
Torsionselemente zu hohen Nichtlinearitäten führen. Zudem ist bei diesem Konzept zu
berücksichtigen, dass sich die Kapazitätsänderung des Coriolis-Detektors mit der
Anregungsschwingung verändert. Dadurch können sehr hohe Fehlerschwingungen, auch
als so genannte Quadraturfehler bezeichnet, entstehen.
Eine kurze Zusammenfassung des Vergleichs ist in Tabelle 1 aufgeführt. Aufgrund der Vor-
und Nachteile der unterschiedlichen technologischen Ansätze konnten folgende
Anforderungen an das zu realisierende Sensorkonzept gestellt werden:
Die Strukturierung des beweglichen Elementes sollte auf präzisen
Tiefentrockenätzverfahren (DRIE) beruhen. Hierbei sind insbesondere eine hohe
Reproduzierbarkeit und Strukturmaßhaltigkeit (von 0,2-0,4 μm bzw. 0,2° des
Trenchmaßes) erforderlich. Die Sensorleistungsfähigkeit steht proportional zur
Schwingungsgüte und ist damit abhängig von der Unterdruckverkapselung. Idealerweise
werden für hohe Leistungsanforderungen Unterdrücke im mBar-Bereich gewählt. Die
Verkapselung muss aus Kostengründen auf Waferebene erfolgen. Deckel- und
Substratelektroden zur Messung der Bewegungen aus der Substratebene heraus sind aus
technologisch wirtschaftlichen Gesichtspunkten ebenfalls zu vermeiden. Somit werden die
Bewegungen in der Ebene wie aus der Ebene heraus mittels Kammantrieben realisiert. Zur
Gewährleistung einer möglichst hohen Empfindlichkeit des Sensors sollte die sekundäre
Detektionsoszillation in der Ebene erfolgen. Die Realisierung der funktionalen Elemente
wird in den folgenden Kapiteln näher erläutert.
Technologie Funktionale
Elemente /
Elektroden
Struktur
höhe
Antrieb /
Detektion
CMOS-MEMS Metalllagen 5 μm out-of-plane
Detektion
Poly-Silizium vergrabene 10 μm out-of-plane
Elektroden
Detektion
CMOS-MEMS in-plane 6 μm out-of-plane
Si-Elektroden
Antrieb
SOI in-plane 30 μm out-of-plane
Si-Elektroden
Antrieb
SOI in-plane 50 μm out-of-plane
Si-Elektroden
Antrieb
Empfindlichkeit
(qualitativ)
Quadraturfehler
(qualitativ)
Referenz
gering mittel [2]
hoch (out-of-plane,
abstandssensitiv)
mittel [3]
mittel - hoch mittel - hoch [4]
hoch (in-plane,
abstandsensitiv)
hoch (in-plane,
abstandssensitiv)
hoch [5]
reduziert (Doppelentkopplung)
Tabelle 1: Vergleich unterschiedlicher Ansätze zur Realisierung von multi-axialen Sensorclustern
HSG-IMIT
Hahn-Schickard-Gesellschaft 6

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
5 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse
5.1 Entwicklung eines Technologiekonzepts
Abgeleitet von den im vorhergehenden Kapitel erläuterten Anforderungen wurde ein
Technologiekonzept für drei Messachsen entwickelt. Ausgangsbasis dafür stellt die
etablierte SOI-Technologie nach [7], [8] dar. Basierend auf diesem Technologiekonzept ist
seit 2006 bereits ein einaxialer Drehratensensor kommerziell verfügbar [9]. Durch die
Verwendung von einkristallinem Silizium können grundsätzlich stressfreie Sensorstrukturen
realisiert werden. Für die Realisierung von Strukturbewegungen aus der Substratebene
heraus ist lediglich ein Maskenschritt zusätzlich notwendig. Die Strukturanregung und
-detektion erfolgt mittels abgedünnter Fingerstrukturen. Das hier eingesetzte Verfahren
zeichnet sich durch eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Technologietoleranzen (z. B.
in Bezug auf die Abdünnung der Strukturbereiche) aus. Vergrabene Elektroden werden
nicht benötigt. Die Biegebalkenstrukturen für die Antriebsschwingung sind als
Torsionsfederelemente realisiert. Dies wiederum spiegelt sich in einer hohen
Prozessgenauigkeit insbesondere in den Resonanzfrequenzen wider. Die hermetisch dichte
Verkapselung im mBar-Bereich erfolgt auf Waferebene mittels eines Glaslot-
Bondverfahrens.
Prinzipiell könnte auf eine Metallisierung zur Kontaktierung der aktiven Elemente
verzichtet werden und somit alle beweglichen Strukturen, Leiterbahnen sowie Bondpads in
Silizium mittels einem Ätzschritt, beziehungsweise zwei Ätzschritten zur Realisierung der
abgesenkten Kammfingerstrukturen, umgesetzt werden. Dieser einfache
Technologieaufbau, der die Verkapselung jedes einzelnen Bondpads vorsieht, hat jedoch
den Nachteil dass, um es zu ermöglichen jedes einzelne Bondpad zu verkapseln, die
Abmessung der Bondpads sehr groß gewählt werden muss und somit die parasitären
Kapazitäten sehr hoch sind. Im Hinblick auf die Realisierung von mehrachsigen
Sensorchips, würde auf Basis dieser Technologie der Chip ausschließlich zur
Unterbringung der Bondpads unverhältnismäßig groß werden, was neben hohen
parasitären Kapazitäten auch höheren thermisch-mechanischen Stress durch die Aufbauund
Verbindungstechnik zur Folge hat. Weiterhin muss wegen der Vielzahl der zu
kontaktierenden Signale die Möglichkeit von Leiterbahnkreuzungen gegeben sein was die
Einführung der untenstehend in den wichtigsten Arbeitsschritten skizzierten
Isolationstechnologie (Trench-Refill ) unabdingbar macht.
Durch den Einsatz dieses Verfahrens kann die Chip-Fläche signifikant reduziert (~ Faktor
26), Leiterbahnkreuzungen realisiert und im Vergleich zum bisherigen Konzept die
parasitären Kapazitäten der Bondpads um eine Größenordnung reduziert werden.
Hahn-Schickard-Gesellschaft 7

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
Abbildung 8: SOI-Technologie zur Herstellung mehraxialer Sensorcluster
Ausgangsmaterial ist ein Standard-Wafer der oxidiert
wird und in den über eine Photolithogaphie-Maske
mittels anisotropem Trockenätzen ein 50 μm tiefe
Grube eingebracht wird. Ein SOI-Wafer mit 50 μm
hoher Deckwaferdicke wird dann rücklings auf den
vorbereiteten Basiswafer gebondet.
Nach Abtragen des SOI-Wafers bis auf das
vergrabene Oxid und somit Herstellung der
Sensorwaferhöhe, werden die Isolationsgräben
eingebracht und mit Oxid sowie Poly-Silizium
verfüllt.
Zur elektrischen Kontaktierung wird Aluminium
abgeschieden und strukturiert
Über eine Doppel-Photolithographie-Maske wird die
Sensorstruktur mit ihren abgesenkten Bereichen
definiert
Zum Schutz gegenüber Umwelteinflüssen sowie zur
Verkapselung von Unterdruck wird ein
vorstrukturierter Deckelwafer durch Glassfrit-
Bondverfahren auf den Waferverbund aufgebracht.
Hahn-Schickard-Gesellschaft 8

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
5.2 Entwicklung einer Antriebsbewegung in z-Richtung
Der Vortrieb der Antriebsbewegung entsteht im elektrostatischen Feld durch die
nichtlinearen Randfelder, die eine anziehende Kraft in eine Richtung erzielen. Bei einem
Antrieb in z-Richtung müssen dafür Strukturen unterschiedlicher Höhe realisiert werden.
Werden hierfür jedoch nur beispielsweise die beweglichen Antriebskammelektroden
abgedünnt wird ein einseitiger Kammantrieb mit einer „pumpenden“ Bewegung realisiert.
Durch diese einseitige Ausführung des Kammantriebs variiert die aktive Elektrodenfläche
über die vertikale Auslenkung, was einen nichtlinearen Kraftverlauf zur Folge hat.
Um einen konstanten Kraftverlauf mit möglichst großen Anregungsamplituden zu
gewährleisten muss ein differentieller Antrieb, wie in den aus der Ebene heraus sensitiven
Gyroskopen, realisiert werden. Da das Technologiekonzept aus Gründen der
Wirtschaftlichkeit nur einseitige Abdünnung der Strukturen vorsieht wurde ein Quasidifferentieller
Antrieb realisiert, indem bewegliche, aber auch feststehende
Kammelektroden abgedünnt wurden (Abbildung 9). Simulationen dieser
Elektrodenanordnung zeigen eine gute Linearität der Kapazität (Abbildung 10) was in einer
nahezu konstanten Kraft innerhalb einer ausreichend großen Anregungsamplitude von ± 4
μm resultiert (Abbildung 11).
Abbildung 9: Differentielles Prinzip der aus der Ebene heraus oszillierenden Kammelektroden
Abbildung 10: Änderung der Kapazität über die
vertikale Auslenkung
Abbildung 11: Resultierender elektrostatischer
Kraftverlauf des Quasi-differentiellen Antriebs
Die Realisierung der abgedünnten Bereiche der Antriebskammelektroden erfolgt mittels
zeitgesteuertem DRIE – Verfahren. Dies hat zur Folge dass die Höhe der abgesenkten
Finger mit der Homogenität des Ätzprozesses, der Ätzratenvariation sowie dem TTV (engl.:
Total Thickness Variation) des SOI-Wafers variiert und somit diese Toleranz näher
untersucht werden musste. Simulationen zeigen, dass die technologiebedingten
Hahn-Schickard-Gesellschaft 9

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
Toleranzen jedoch innerhalb des Arbeitsbereiches von ± 4 μm nur geringen Einfluss auf
den Kraftverlauf haben und somit vernachlässigt werden können (Abbildung 12).
Abbildung 12: Einfluss unterschiedlicher Höhen der abgesenkten Elektrodenfinger an C1
5.3 Realisierung der primären Biegebalken
Neben der Realisierung der primären Antriebselektroden spielt die Aufhängung der
Primärmasse, besonders im Hinblick auf die damit direkt verbundene erzielbare Linearität
der Antriebsbewegung, eine besondere Rolle. Prinzipiell können diese Primärfedern auf
drei unterschiedliche Arten realisiert werden:
a) als abgedünnte Biegebalken,
b) als lange Biegebalken (gefaltet, ungefaltet, abgewinkelt), beziehungsweise
c) als Torsionsbalken.
Eine Realisierung der primären Biegbalken mittels Absenkung (Option a) durch
zeitgesteuertes Ätzen stellt hierbei den kritischsten Prozess dar, da eine Variation der Höhe
der Biegebalken zur dritten Potenz die Steifigkeit der Balken und somit die
Resonanzfrequenz stark beeinflusst. Eine Absenkung mittels trockenchemischer Ätzung mit
einer üblichen Toleranz von 3,5% in Abhängigkeit der Höhe der Absenkung würde
Resonanzfrequenzverschiebungen von ± 1000 Hz zur Folge haben. Durch eine
Absenkung mittels nasschemischer Ätzung kann mit hohem zeitlichen Aufwand die
Toleranz der Ätzung minimiert werden wodurch diese nahezu vernachlässigt werden
kann, allerdings addiert sich neben der Absenkprozesstoleranz noch die nicht
beeinflussbare TTV des Wafers hinzu, wodurch hier mit Resonanzfrequenzschwankungen
von ± 400 Hz gerechnet werden muss. Die Toleranz wird hier somit hauptsächlich durch
die TTV bestimmt, was jedoch nicht mehr verbessert werden kann. Aus diesem Grund
zwingt sich eine Realisierung der Primärbiegebalken ohne Absenkprozess auf.
Die Realisierung von primären Resonanzfrequenzen im Bereich von 8 – 10 kHz mittels
herkömmlichen Biegebalken (Option b) bei Verwendung von einer 50 μm hohen aktiven
Siliziumschicht führt zu sehr langen Balkenstrukturen, wodurch diese nur durch mehrere
Faltungen innerhalb vernünftiger Abmessungen ausgeführt werden könnten und sich somit
die unerwünschten Quermoden in den Bereich der Primär- und Sekundärmode
verschieben würden.
Um möglichst hohe Prozessgenauigkeit ohne zusätzliche Frequenzverschiebungen zu
ermöglichen kann somit die Aufhängung der Primärmasse nur durch Torsionsbalken
realisiert werden. Ein signifikanter Nachteil dieser Balkenelemente stellt die durch die
Auslenkung hervorgerufene Versteifung der Torsionsfedern dar, welche eine hohe
Nichtlinearität der Primäroszillation zur Folge hat. Im Vergleich zu üblichen Biegebalken
Hahn-Schickard-Gesellschaft 10

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
der in der Ebene schwingenden Strukturen liegt diese rund eine Größenordung darüber.
Durch eine gefaltete Ausführung der Elemente (Abbildung 13) konnte die Nichtlinearität
jedoch soweit reduziert werden, dass bei einer Unterdruckverkapselung des Sensors von
≥ 1 mBar die Biegebalken mit der gewünschten Anregungsamplitude von ± 4 μm lineares
Schwingungsverhalten aufweisen (siehe Kapitel 5.5).
Abbildung 13: Torsionsbiegebalken zur Erzeugung der primären Schwingung aus der Ebene heraus
5.4 Entkopplung von Antrieb und Detektionsschwingung
Einfach entkoppelte Drehratensensoren wie sie in aus der Ebene heraus sensitiven
Strukturen verwendet werden, bestehen aus einem sekundären Oszillator beinhaltend
einer inertialen Masse sowie den Detektionselektroden, welcher Bewegungen in
2 Richtungen zulässt, sowie einem primären Oszillator mit nur einem Freiheitsgrad
wodurch die Sekundärschwingung nicht auf die Primärschwingung rückkoppeln kann,
jedoch der Sekundärschwinger Sekundär- sowie Primärschwingung sieht (Abbildung 14).
Bei einer Primärbewegung aus der Ebene heraus wird nun der Sekundärschwinger aus den
feststehenden Elektroden herausgehoben, was eine Änderung der differentiellen Kapazität
(C1 – C2) des Sekundärschwingers bei anliegender Drehrate zur Folge hat. Unter
Berücksichtigung der parasitären Kapazitäten Cp (� C1 + C2) verändert sich bei einer
Bewegung in z-Richtung das Ausgangssignal Vout und führt wegen dem Übersprechen
dieser Einfachentkopplung zu einem Quadratursignal welches auch eine Temperaturdrift
sowie eine Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses hervorruft.
( C1
− C2
)
VOUT
~
( C + C + C )
1
Durch Verwendung von doppelt entkoppelten Strukturen kann dieser Effekt idealerweise
verhindert werden, da hier nur noch die inertiale Masse zwei Freiheitsgrade besitzt und
somit der Primär- und Sekundärschwingung ausgesetzt ist, jedoch die Primär- und
Sekundärschwinger selbst sich nicht mehr gegenseitig beeinflussen (Abbildung 15).
Hahn-Schickard-Gesellschaft 11
2
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Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
Abbildung 14: Einfach entkoppeltes Prinzip von
Drehratensensorstrukturen
5.5 Simulation und Layout der Sensorstrukturen
Abbildung 15: Doppelt entkoppeltes Prinzip von
Drehratensensorstrukturen
Ziel der analytischen Beschreibung ist die Berechnung der wichtigsten Leistungsparameter
der Drehratensensoren. Aus den Systemparametern lassen sich die Resonanzfrequenzen,
Strukturauslenkungen und Phasenverhältnisse bestimmen. Mit den Primär- und
Sekundärauslenkungen ergeben sich Kapazitätsänderungen, die direkt proportional zu den
Ausgangsspannungen des Sensors einhergehen. Damit wird z.B. die Auflösungsgrenze,
Nichtlinearität sowie das Ausgangsrauschen bestimmt.
Die Simulation dieser Modelle bzw. die Berechnung der analytischen Formulierungen
wurden mit Matlab durchgeführt. Abbildung 16 zeigt den typischen Ablauf des
Entwurfsprozesses für die mikromechanischen Sensorelemente. Beginnend mit der
Parametereingabe werden die wichtigsten Leistungsparameter berechnet.
Abbildung 16: Ablaufplan des Designprozesses des mikromechanischen Sensorelements
Sobald die gewünschten Kriterien erfüllt sind erfolgt eine verfeinerte Analyse mit der
Finite-Elemente-Methode. Dazu wird ein vollständiges dreidimensionales Volumenmodell
der Strukturen entwickelt, mit dem unterschiedliche Berechnungen wie Modalanalysen,
Querempfindlichkeiten oder die Untersuchung der Stressbelastung durchgeführt werden
können. Diese numerischen Simulationen wurden mit dem FE-Programm ANSYS
durchgeführt. Nach Verifizierung der Leistungsparameter konnte das Layout der
Sensorstrukturen generiert werden.
Abbildung 17 und Abbildung 18 zeigen zwei unterschiedliche Konzepte des in-plane
sensitiven Drehratensensors. Während die linke Struktur wie die aus der Ebene heraus
sensitiven Drehratensensoren eine sensitive Achse, nun in-plane sensitiv besitzt, wurde bei
der rechts dargestellten Struktur die inertiale Masse zweigeteilt und durch unterschiedliche
Anordnung der jeweiligen sekundären Biegebalken und Detektionskämme erreicht, dass
Hahn-Schickard-Gesellschaft 12

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
hier Drehgeschwindigkeiten um beide in der Ebene liegende Achsen detektiert werden
können.
Abbildung 17: x-Achsen sensitiver Drehratensensor Abbildung 18: x,y-Achsen sensitiver Drehratensensor
Abbildung 19 bis Abbildung 22 zeigen am Beispiel des x-Achsen sensitiven
Sensorskonzepts die Modalanalyse der ersten (Primär-) und zweiten (Sekundär-) Mode
einer einfach entkoppelten sowie doppelt entkoppelten Struktur. Anhand von
Nichtlinearitätsanalysen wurde die Nichtlinearität der primären Torsionsfedern ermittelt.
Abbildung 23 zeigt exemplarisch die Steifigkeitsänderung einer Feder in Abhängigkeit der
Primärauslenkung.
Abbildung 19: Primärmode eines einfach
entkoppelten x-Achsen sensitiven Drehratensensors
Abbildung 20: Sekundärmode eines einfach
entkoppelten x-Achsen sensitiven Drehratensensors
Hahn-Schickard-Gesellschaft 13

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
Abbildung 21: Primärmode eines doppelt
entkoppelten x-Achsen sensitiven Drehratensensors
Abbildung 23: Geometrische Steifigkeitsänderung
einer Torsionsfeder in Abhängigkeit ihrer
Auslenkung
Auf Basis der Simulationsergebnisse konnte das Layout der Sensorstrukturen erstellt
werden. Über das Ziel dieses Projektes hinaus wurden hier statt der Herstellung in der
Ebene sensitiver einachsiger Sensoren dreiaxiale Drehratensensoren, beinhaltend einen
herkömmlichen aus der Ebene heraus sensitiven sowie zwei in der Ebene sensitive
Drehratensensoren, mit einer Chipabmessung von 7,5 mm x 7,5 mm, realisiert (Abbildung
24).
5.6 Technologische Charakterisierung
Abbildung 22: Sekundärmode eines doppelt
entkoppelten x-Achsen sensitiven Drehratensensors
Abbildung 24: Layout des 3-axialen Drehratensensors
Abbildung 25 zeigt den prozessierten 3-axialen Sensorchip. Die REM-Aufnahme in
Abbildung 26 zeigt die Realisation der doppelt entkoppelten in der Ebene sensitiven
Sensorstruktur mit den sie umgebenden aus der Ebene heraus oszillierenden
Antriebskämmen. Eine Detailaufnahme dieser Antriebskämme ist in Abbildung 27 zu
sehen. Eine Absenkung der Struktur in diesem Bereich von 10 μm ± 3,5 %
Hahn-Schickard-Gesellschaft 14

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
Ätztiefentoleranz konnte mit einer effektiven mittleren Absenkung von . 10,08 μm erreicht
werden (Abbildung 28). Aufgrund des Effektes der Selbstjustage im gewählten
Prozessablauf der für die Absenkung notwendigen Doppelmaskierung, konnten im Bereich
dieser Antriebskämme dieselben Strukturabstände realisiert werden wie in den Bereichen
mit unabgesenkter Struktur von ≥ 2,8 μm (Layout 2,5 μm). Somit wurde ein
Aspektverhältnis von ~ 18 mit Winkelfehlern ≤ 0,2° über den Wafer erzielt.
Abbildung 25: Lichtmikroskop-Aufnahme des
3axialen Drehratensensors
Abbildung 27: REM-Nahaufnahme der aus der
Ebene heraus oszillierenden Antriebskämme
Abbildung 26: REM-Aufnahme einer in-plane
sensitiven Drehratensensorstruktur
Abbildung 28: Vermessung der Absenkung der
Antriebskämme (helle Bereiche = nicht entferntes
Resistmaterial)
5.7 Messtechnische Charakterisierung
Anhand umfangreicher Messungen wurde die grundsätzliche Funktionalität auf Waferlevel
nachgewiesen. Im Anschluss wurden einzelne Sensoren auf eine Evaluationselektronik
aufgebondet (Abbildung 29) und auf dem Dreiachsen-Drehtisch (Abbildung 30) innerhalb
eines Messbereichs von ± 200°/s vermessen. Das Amplituden- und Phasensignal eines in
der Ebene sensitiven Sensors ist in Abbildung 31 dargestellt. Mittels anschließendem
Öffnen desselben Sensors und vergleichender Messungen auf einem Vakuumdrehtisch
konnte der eingeschlossene Druck zu 5mBar bestimmt werden. Abbildung 33 zeigt das
Hahn-Schickard-Gesellschaft 15

Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
Verhältnis von angelegter zu gemessener Drehrate der x-, y- sowie z-Achsen sensitiven
Strukturen. Die Nichtlinearität der in der Ebene sensitiven Strukturen beträgt über den
gesamten Messbereich ≤ 0,2 %. Das Rauschen dieser Strukturen liegt im Bereich von
≤ 3 °/s (pp) (Abbildung 32). Eine Zusammenfassung der Messergebnisse zeigt Tabelle 2.
Abbildung 29: Evaluationselektronik mit 3-axialem
Sensorchip und 3 integrierten Auswertelektroniken
(ASICs)
Abbildung 31: Amplituden und Phasengang einer in
der Ebene sensitiven Sensorstruktur
Abbildung 30: 3-axialer Drehtisch zur Vermessung
multi-axialer Sensorcluster am HSG-IMIT
Abbildung 32: Rauschsignal einer in der Ebene
sensitiven Sensorstruktur
Abbildung 33: Verhältnis von angelegter zu gemessener Drehrate der 3 sensitiven Achsen des multi-axialen
Drehratensensors
Parameter X-Gyro Y-Gyro Z-Gyro
Bandbreite [Hz] 50 50 50
Nichtlinearität [%] ≤ 0.2 ≤ 0.2 < 0.1
Rauschen [°/s] @ Bandbreite < 0.45 < 0.45 < 0.2
Tabelle 2: Messergebnisse des 3-axialen Drehratensensors
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6 Ergebnisbewertung
Es konnte, auf Basis einer in der Industrie etablierten SOI-Technologie, ein in der Ebene
sensitiver Drehratensensor entwickelt sowie über das Projektziel hinaus diese neue
Sensorstruktur in einem multi-axialen Sensorcluster implementiert werden. Nur eine
technologisch unkritische zusätzliche Absenkung in relevanten Bereichen der
Sensorstruktur ist notwendig um diese neue Wirkrichtung zu implementieren, keine
zusätzlichen Technologietoleranzen beeinflussen die Sensorleistungsdaten. Die ersten
Messergebnisse der in der Ebene sensitiven Strukturen zeigen im Vergleich zu den aus der
Ebene heraus sensitiven Strukturen adäquate Leistungsdaten der gleichen Größenordnung.
Die in Kapitel 3 beschriebenen und dem Forschungsvorhaben zugrunde liegenden Ziele
konnten somit in vollem Umfang erreicht werden.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen kann in weiterführenden Projekten beispielsweise durch
eine Verringerung des Abstandes von Primär- und Sekundärschwingungsfrequenz die
Empfindlichkeit erhöht und damit das Signal-Rausch-Verhältnis weiter reduziert werden
und durch entsprechende konstruktive Maßnahmen die Güte die aktuell Faktor 8 - 10
unter den Werten der aus der Ebene heraus sensitiven Strukturen liegt verbessert werden,
wodurch dann in einem multi-axialen Sensorcluster sämtliche sensitiven Achsen mit
gleicher Leistungsfähigkeit realisiert werden können.
7 Innovativer Beitrag der Projektergebnisse
Im Gegensatz zu den schon auf dem Markt befindlichen In-plane sensitiven Gyroskopen,
welche in ihrem Aufbau und ihrer Wirkweise sehr kompliziert, schwierig zu realisieren
und mit guter Performance sehr teuer sind, konnte ein Prototyp eines Sensors entwickelt
werden, der sich außer seiner Wirkrichtung kaum von DAVED ® -LL, einem in
vorangegangenen Projekten am HSG-IMIT entwickelten aus der Ebene heraus sensitiven
Drehratensensor der in unterschiedlichsten Ausprägungen in der Industrie seit längerem
etabliert ist, unterscheidet.
Die Basis bildete die in den voran gegangenen Projekten entwickelte und optimierte
SOI-Technologie, welche in diesem Projekt durch die Einführung zusätzlicher unkritischer
Prozessschritte derart modifiziert wurde, dass unterschiedlich hohe Balkenstrukturen
realisiert werden können, um die angestrebte neuartige Wirkrichtung zu erzielen. Es
mussten keine zusätzlichen aktive Flächen oder zusätzliche Elektroden realisiert werden,
vielmehr wird die Bewegung durch Ausnutzung der inhomogenen elektrostatischen
Randfelder hervorgerufen.
Mit den hier erzielten Entwicklungsergebnissen können somit multiaxiale Sensorcluster in
einer Ebene, auf einem Chip realisiert werden, wie sie durch eine Reduzierung der
Baugröße von derzeit > 1 cm³ für einen Sensorverbund aus drei Einzelsensoren auf
lediglich 0,1 cm³, sowie die präzise Ausrichtung der Messachsen zueinander für eine
Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten in der Unterhaltungselektronik oder aber auch
in der Medizintechnik benötigt werden. Die Implementierung der benannten
Prozesserweiterungen in bestehende Fertigungsabläufe stellt neben der Realisierung der
Detektion aller Raumrichtungen auf einem Chip für zukünftige Entwicklungen eine weitere
wesentliche Grundlage für eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten dar.
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8 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten der Projektergebnisse für kmU
Prinzipiell finden Drehratensensoren in den Gebieten ihre Anwendung, in denen die
Winkelgeschwindigkeit von bewegten Objekten jeglicher Art ohne äußere Referenz
ermittelt werden soll. Die kommerzielle Nutzbarmachung kleiner, leichter sowie
kostengünstiger multi-axialer mikromechanischer Drehratensensoren in naher Zukunft
ermöglicht die Erschließung neuer Anwendungen, was wiederum zur verstärkten
Weiterentwicklung führt. Die im Folgenden dargestellten Beispiele können im Besonderen
durch kmU mit dem Fokus auf Nischenmärkte abgedeckt werden.
Neben dem Einsatz in der automatischen Maschinensteuerung und Robotik zur Steuerung
und Kontrolle exakter Bewegungen von Greifern und Roboterarmen, finden solche
Sensorcluster in Geräten zur Verbesserung der Mensch-Maschine-Kommunikation auf dem
Konsumgütersektor Anwendung. Bekanntestes Beispiel sind Handschuhe oder Helme von
Virtual-Reality-Anwendungen wie sie auch z.B. in Ingenieurbüros zur Visualisierung von
Konstruktionen Anwendung finden.
In der Medizintechnik erfolgt der Einsatz unter anderem zur Aufzeichnung von
Körperbewegungen, beispielsweise zur Diagnostik von Störungen der Körperhaltung.
Besonders in diesem Bereich muss auf geringe Abmessungen und Gewicht bei gleichzeitig
sehr hohen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Sensorcluster geachtet werden, da
große und schwere Geräte den Patienten nur behindern und auch zu verfälschten
Analyseergebnissen führen würden.
Auf Grund der hohen Kosten von mechanischen und optischen Gyroskopen war die
Stabilisierung von Antennen, Periskopen, Kameras und anderen Instrumenten bislang
vorwiegend auf militärische Anwendungen beschränkt. Durch die Bereitstellung von
kostengünstigen Sensorreinheiten werden im Konsumgüterbereich künftig
Stabilisierungssysteme eine breite Markteinführung erfahren. Entsprechendes gilt für
Stabilisierungssysteme für die moderne Fahrzeugsicherheit und Komfortsysteme von
Fahrzeugen im Automobilbereich.
Gemäß den Ausführungen des Forschungsantrags sowie den Anlagen 1 und 2 zum
„Fragebogen zur Einschätzung der erzielten Forschungsergebnisse“ können die Ergebnisse
direkt in den Fachgebieten Mikrosystemtechnik, Elektrotechnik und Medizintechnik
Verwendung finden. Eine mögliche Nutzung bzw. ein möglicher Einsatz der Ergebnisse
besteht in den Fachgebieten Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik sowie
Informations- und Kommunikationstechnik.
Zugeordnet zu Wirtschaftszweigen lassen sich die Forschungsergebnisse vornehmlich im
Fahrzeugbau, Transportwesen, der Elektrotechnik und dem Maschinenbau, sowie im
Bereich der Sportgeräte und sonstigen Erzeugnissen nutzen. Eine sicherlich immer stärker
werdende Nutzung wird sich im Bereich der Textilindustrie abzeichnen da hier mit den
immer kleiner werdenden Systemen sich vielfältige Möglichkeiten der Entwicklung von
„intelligenter“ Kleidung ergeben.
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Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
9 Veröffentlichungen im Rahmen des Vorhabens
Bereits während der Laufzeit des Vorhabens wurden die Innovationen durch
Veröffentlichungen und Kongressbeiträge dem interessierten Fachpublikum bekannt
gemacht. Nachfolgend sind die Veröffentlichungen aufgelistet, die auf der Grundlage der
Projektergebnisse entstanden sind. Des Weiteren wird dieser Abschlussbericht auf der
Homepage des HSG-IMIT präsentiert, um Interessierten die Möglichkeit zu geben weitere
Informationen über die hinterlegte Kontaktadresse einzuholen:
M. Trächtler, et al., Adapted SOI Technology for Multi-Axis Inertial Sensors, Micro System
Technologies, October 5-6, 2005, München, Proceedings, pp. 141-147.
M. Trächtler, et al., A new Approach for Multi-Axis Inertial Sensor Units on a Single Silicon
Die based on SOI-Technology, Proceedings Symposium Gyro Technology 2006,
September 19-20, 2006, Stuttgart, Germany.
M. Trächtler, et al., Single-Chip, Three-Axis Gyroscope using SOI-Technology, Symposium
Gyro Technology 2007, September 18-19, 2007, Karlsruhe, Germany, zur
Veröffentlichung angenommen.
M. Trächtler, et al., Novel 3-Axis Gyroscope on a Single Chip using SOI-Technology, IEEE
Sensors 2007, October 28-31, 2007, Atlanta, USA, zur Veröffentlichung angenommen.
10 Förderung
Das Forschungsvorhaben (AiF-FV Nr. 14237 N) wurde aus Haushaltsmitteln des
Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft
industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) gefördert.
11 Durchführende Forschungsstelle
Institut für Mikro- und Informationstechnik (HSG-IMIT)
Wilhelm-Schickard-Straße 10
78052 Villingen-Schwenningen
Leiter der Forschungsstelle:
Prof. Dr. H. Reinecke
Projektleiter:
M. Trächtler
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Abschlussbericht Forschungsvorhaben 14237 N
12 Literaturverzeichnis
[1] Yole Development, WISM’05: World Inertial Sensors Market, 2005.
[2] B.J. Gallacher, et. al., Initial Test Results from a 3-axis Vibrating Ring Gyroscope,
International MEMS Conference 2006, S. 662-667
[3] H. Xie, G. K. Fedder, Fabrication, Characterisation, and Analysis of a DRIE CMOS-
MEMS Gyroscope, IEEE Sensors Journal, Vol. 3, No. 5, October 2003, pp. 622-631.
[4] Robert Bosch GmbH, Mikromechanischer Drehratensensor, Offenlegungsschrift DE
199 45 859 A1
[5] S. A. Bhave, et al., An Integrated, Vertical-drive, In-plane-sense Microscope, Tech.
Digest, 12 th Int. Conf. On Solid-State Sensors and Actuators (Transducers ’03),
Boston, MA, USA, June, 2003, pp. 171-174.
[6] J. Kim, et al., A Planar, X-Axis, Single-Crystalline Silicon Gyroscope Fabricated
Using the Extended SBM Process, Proc. IEEE MEMS, pp 556-9, Maastricht, The
Netherlands, Jan. 25-29, 2004
[7] T. Link, et al., Low Cost Micromachined Angular Rate Sensor for Enhanced
Automotive Applications, Symposium Gyro Technology 2005, Stuttgart
[8] XFAB, X-TIC: X-FAB Technical Information Center, http://www.xfab.com/, März
2007
[9] Melexis, MLX90609 Angular Rate Sensor, http://www.melexis.com/, März 2007
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