Kapazitive mikromechanische Drehraten- und Beschleunigungssensoren mit hybrider Inertialmasse

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1 Kapazitive mikromechanische Drehraten- und Beschleunigungssensoren mit hybrider Inertialmasse von Diplom-Physiker Stefan Sassen aus Dachau von der Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften Dr.-Ing. genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Gutachter: Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Georg Böck Prof. Dr.-Ing. Ernst Obermeier Prof. Dr.-Ing. Hermann Sandmaier Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 29. Oktober 2002 Berlin 2003 D83

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3 Berichte aus der Mikrosystemtechnik Stefan Sassen Kapazitive mikromechanische Drehraten- und Beschleunigungssensoren mit hybrider Inertialmasse. D 83 (Diss. TU Berlin) Shaker Verlag Aachen 2003

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Sassen, Stefan: Kapazitive mikromechanische Drehraten- und Beschleunigungssensoren mit hybrider Inertialmasse / Stefan Sassen. Aachen : Shaker, 2003 (Berichte aus der Mikrosystemtechnik) Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2002 ISBN Copyright Shaker Verlag 2003 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Zusammenfassung Einleitung Anwendungsgebiete und Zielsetzung Stand der Technik - Beschleunigungssensoren StandderTechnik-Drehratensensoren Anregungs- und Ausleseverfahren Herstellungstechnologien Sensorkonzepte Auswahl des Sensorprinzips und der Herstellungstechnologie Sensorstrukturen und Funktionsweisen Beschleunigungssensoren SensoraufbauundFunktionsprinzip Mechanisches Übertragungsverhalten Geometrieoptimierung der Beschleunigungssensoren Drehratensensor SensorstrukturundFunktionsprinzip Schwingungsgleichungen im rotierenden Bezugssystem Primäre und sekundäre Schwingung Ausleseamplitude des Drehratensensors Übertragungsfunktion des Drehratensensors

6 II INHALTSVERZEICHNIS OptimierungderDrehratensensorstruktur Auswirkungen von Parameterstreuungen Offset-undEmpfindlichkeitsdrift Zusammenfassung TeilaspektederkapazitivenSensoren Berechnungen der Torsionsfedern ElektrostatischeAktorik KapazitiveSensorik Dämpfung ThermischmechanischesRauschen Herstellung Übersicht über Herstellungsablauf Einzelprozessbeschreibung HerstellungdesGlasträgerwafers Herstellung der auslenkbaren Mechanikstruktur Herstellung des Verbundwafers und der Sensorchips Charakterisierung MessungdesSpaltabstandes Spaltveränderung durch Klebung der Inertialmasse Spaltveränderung durch Silizium/Glas-Verspannung Messung der mechanischen Verspannungen Zusammenfassung CharakterisierungderBeschleunigungssensoren Temperaturabhängigkeit der Resonanz f res (T) Spannungsabhängige Kapazitätsmessung C(U) Statische Messung im Schwerefeld C(a) Übertragungsfunktion der Beschleunigungssensoren Messverfahren Typabhängigkeit Amplitudenabhängigkeit Druckabhängigkeit Zusammenfassung...170

7 INHALTSVERZEICHNIS III 6 CharakterisierungderDrehratensensoren ModalanalysederSensorstruktur Temperaturabhängigkeit der Schwingungen Analyse der Frequenzstreuungen Elektrostatische Resonanzfrequenzverschiebung Dämpfungsverhalten der Schwingungen EinflussderChip-Montagetechnik Drehratensignal Phasenbeziehung der Schwingungen Kennlinie Signalrauschen Offsetdrift DiskussionundAusblick Herstellungstechnologie Beschleunigungssensoren Drehratensensor A Komponentenzerlegung der elektrostatischen Aktorik A.1 Bedeutungserklärung der Komponenten A.2 Komponentenzerlegung für unterschiedliche Spannungskombinationen B EigenschaftenderverwendetenMaterialien B.1 Pyrexzusammensetzung B.2 WeitereMaterialdaten Literaturverzeichnis Danksagung...219