Monolithisch integrierter Drehratensensor mit zeitkontinuierlicher Auswerteschaltung

Abstract

Die MEMS-Technologie unterliegt einer ähnlich rasanten Entwicklung wie die IC-Welt. Bei gleichzeitiger Miniaturisierung und Preisreduktion müssen die Bauelemente immer leistungsfähiger werden. Wie dies im Falle eines MEMS-Drehratensensors durch neue elektrische Auswertekonzepte in Kombination mit weit reichender Integration von elektrischen und mechanischen Strukturen gelingen kann ist Inhalt folgender Dissertation. Für die meisten Anwendungen ist die minimal detektierbare Winkelgeschwindigkeit der wichtigste Parameter des Drehratensensors. Diese Auflösungsgrenze kann sowohl durch diverse elektrische Rauschquellen der Auswertelektronik, aber auch durch das thermische Rauschen (Brownsche Rauschen) der MEMS-Struktur selbst, bestimmt werden. Ziel ist eine derartige Optimierung der Rauschquellen, dass im Ausgangssignal, bei ruhendem Sensorelement, die thermische Bewegung der mechanischen Struktur sichtbar wird. Damit ist der Sensor, mit der gegebene Mechanik, am physikalischen Auflösungslimit angelangt. Es wird gezeigt, dass mit einem vollständig zeitkontinuierlichen Auswertekonzept die thermische Bewegung der Sensorstruktur detektiert werden kann. Die Umsetzung dieser zeitkontinuierlichen Auswertung bedarf allerdings eines neuen technologischen Ansatzes. Um Signalverlust und Signalübersprechen zu verhindern, müssen die Auswerteelektronik und die MEMS-Struktur auf einem gemeinsamen Siliziumchip untergebracht werden. Die Mechanik wird monolithisch mit dem CMOS-Schaltkreis integriert. Bei derart weit entwickelten Prozessen, wie sie in der IC- und MEMS-Welt üblich sind, muss eine monolithische Integration jedoch technologisch auf einem beherrschbaren Komplexitätsniveau stattfinden. Zwei Ansätze werden aufgezeigt. Bei dem ersten Ansatz ist die mechanische Struktur direkt über aktiver IC-Fläche angebracht. Der CMOS ist vor der MEMS-Struktur vorhanden und begrenzt das für die Weiterprozessierung zur Verfügung stehende thermische Budget. Deshalb müssen für die MEMS-Welt neuartige Materialien (SiGe) und Prozesse verwendet werden. Der zweite Ansatz beschränkt sich auf etablierte Prozesse und Materialien, greift aber vergleichsweise tief in die Prozessfolgen ein. Die MEMS-Struktur ist bei diesem Ansatz lateral zum Auswerteschaltkreis versetzt, CMOS und MEMS nutzen dabei teilweise identische Ebenen. Diskutiert werden Charakterisierungsergebnisse von Bauelementen hergestellt in beiden Ansätzen.

The fast developments of the MEMS-Technology are similar to those in the IC-World. Important requirements for chips are price reduction and miniaturization. The following PhD-thesis describes a procedure to fulfill those requirements: Integration of mechanical and electrical structures in combination with a new evaluation concept. Minimal detectable rotation speed is the most important parameter for the majority of the applications. This detection limit can either be characterized through various electrical noise sources or through thermal (brownian) noise of the MEMS structures itself. The optimum for a gyroscope is realized, when the amplitude of brownian noise is similar to the amplitude of the electrical noise. In that case the physical detection limit is reached. One result of the presented analysis is, that a completely time-continuous evaluation concept can detect the brownian noise of the given mechanical sensor structure. A new technological approach is necessary to realize this time-continuous evaluation concept. To prevent loss of signal and crosstalk, IC- and MEMS structures have to be placed on the same silicon chip. The mechanic must be monolithic integrated in the CMOS-ASIC. Two approaches for a monolithic integrated chip are described. In the first approach the mechanical structure is placed directly above active IC elements and CMOS is proceeded before MEMS. Therefore the thermal budget is limited for the following proceeding of the MEMS structure. New Materials like Silicon-Germanium must be used. The second approach focuses on well-proven processes and materials. In this case the process flow must be adjusted extensively. MEMS and CMOS are placed laterally next to each other. MEMS and CMOS use partly identical layers. Results of devices proceeded in both approaches are discussed.