DE69712044T2

DE69712044T2 - Integriertes mikrogefertigtes oberflächenmagnetometer

Info

Publication number: DE69712044T2
Application number: DE69712044T
Authority: DE
Inventors: S. Payne; Yang Zhao
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2017-02-22
Also published as: EP1096265A1; EP1376145A3; WO1997031274A1; EP0882242B1; EP0882242A1; JP2000506260A; US6233811B1; DE69712044D1; US5818227A; EP1376145A2; JP4052671B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von mikromechanisch bearbeiteten elektromechanischen Strukturen und insbesondere mikromechanisch bearbeitete Magnetometer.

Hintergrund der Erfindung

Es ist für viele Zwecke vorteilhaft, ein Magnetfeld exakt zu messen. Magnetometer können als Kompaß verwendet werden und sind auf vielen Gebieten brauchbar, was Virtual-Reality-Einrichtungen, elektronische Spiele und Kraftfahrzeugprodukte einschließt.
Herkömmliche Verfahren zur Messung von Magnetfeldern umfassen Einrichtungen, die den Hall-Effekt, die Änderung des magnetischen Flusses, den magnetischen Widerstand oder den magnetischen Riesenwiderstand messen. Solche Methoden können zwar wirkungsvoll sein, es gibt jedoch viele Bereiche, in denen diese herkömmlichen Einrichtungen verbessert werden könnten.
Beispielsweise wäre es vorteilhaft, den Temperaturkoeffizienten und die Stabilität von Abweichungen in solchen Einrichtungen zu verbessern, um so eine extrem hohe Empfindlichkeit mit hohem dynamischem Bereich zu erhalten, eine echte Neigungsmessung anstelle einer Gesamtfeldmessung zu erhalten, eine höhere Linearität zu erzielen, eine chipintegrierte Signalverarbeitung mit einem analogen oder digitalen Ausgangssignal zu ermöglichen, die Messung von Magnetfeldern in Richtung mehrerer Achsen mit einer einzigen Einrichtung zu ermöglichen und die Größe von solchen Einrichtungen zu verringern.
Ferner wäre es vorteilhaft, ein Magnetometer mit mikromechanisch bearbeiteten Trägheitssensoren, wie etwa Beschleunigungsmessern oder Gierwinkelgeschwindigkeitssensoren auf einem einzigen Chip zu integrieren.
Die CH 679 341 beschreibt eine Einrichtung zur Messung einer elektromagnetischen Induktion (B) und zeigt ein Sensorelement mit einer Platte, die auf einer Achse geneigt werden kann, und mit einem Träger, der ein Substrat und einen Abstandshalter aufweist. Die Platte ist mittels der die Achse bildenden Streifen über einer Ausnehmung in dem Abstandshalter auf dem Träger angeordnet.
Die Platte besteht aus einem magnetisierbaren Material in einer Schicht, das eine Dauermagnetisierung (M) zeigt, die in der Achse mit der zu messenden Induktion (B) ein Drehmoment erzeugt. Die Streifen sind auf solche Weise festgelegt, daß sie von dem Drehmoment verdreht werden, wenn die Platte gekippt wird, und eine zu dem Drehmoment proportionale Verdrehung entwickeln, die dem Kippen der Platte entgegenwirkt.
Die EP-A-0 538 899 beschreibt einen Detektor für Kraft, Beschleunigung oder Magnetismus in bezug auf Komponenten in Richtungen in mehreren Dimensionen, wobei acht Gruppen von piezoelektrischen Sensorelementen in Plattenform verwendet werden.
Die US-5 036 286 beschreibt ein Verfahren zum Messen einer magnetischen und elektrischen Kraft unter Verwendung eines kraftempfindlichen Meßwertumformers, bestehend aus einem mikromechanisch bearbeiteten magnetischen Festkörpersensor, der aus einer zentralen Siliziumplattform besteht, die von einer dünnen Siliziummembran umgeben und davon abgestützt ist. Eine Magnetkraft verlagert die Siliziumplattform und die Membran. Die Verlagerung wird als Änderung der Kapazität gemessen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine mikromechanisch bearbeitete Struktur, die als Magnetometer verwendet wird. Das Anlegen eines Magnetfelds B an ein Material mit einem magnetischen Moment m bewirkt, daß das Material ein Drehmoment auf der Basis des Kreuzprodukts des Magnetfelds und des magnetischen Moments erfährt. Anders ausgedrückt, es erfährt das Material ein Drehmoment L = m · B.
Mikromechanisch bearbeitete Siliziumstrukturen werden häufig dazu verwendet, die Beschleunigung durch die Verwendung von Differenzkondensatoren zu detektieren und zu messen. Bei diesen Sensoren ist eine bewegliche Masse zwischen zwei Platten positioniert, so daß der eine Kondensator von der einen Platte und der Masse gebildet ist und ein zweiter Kondensator von einer zweiten Platte und der Masse gebildet ist.
Ein auf diesem Prinzip beruhender Beschleunigungsmesser und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Beschleunigungsmessers sind in den US-PS'en 5 345 824, 5 326 726 und 5 314 572 beschrieben.
Ein Einzelachsenmagnetometer kann erhalten werden, indem einer mikromechanischen Struktur, die dazu ausgebildet ist, eine Rotation zu detektieren, ein ferromagnetisches Material hinzugefügt wird.
Daher gibt die vorliegende Erfindung ein mikromechanisch bearbeitetes elektromechanisches Magnetometer an, das folgendes aufweist: eine drehbare Struktur, die über einem Substrat aufgehängt ist, und ein ferromagnetisches Material, das ein magnetisches Moment hat und mit der drehbaren Struktur verbunden ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetometer ferner folgendes aufweist:
mindestens eine Elektrode der drehbaren Struktur;
mindestens einen Aufhängearm, wobei jeder Aufhängearm ein erstes Ende, das mit dem Substrat verbunden ist, und ein zweites Ende hat, das mit der drehbaren Struktur so verbunden ist, daß die drehbare Struktur um eine erste Achse, die zu der Oberfläche des Substrats senkrecht ist, drehbar ist;
mindestens eine erste festgelegte Elektrode, die mit dem Substrat verbunden ist, wobei die erste festgelegte Elektrode und die Elektrode der drehbaren Struktur einen ersten Kondensator bilden, wobei eine Drehung der drehbaren Struktur in einer ersten Richtung um die erste Achse die Kapazität des ersten Kondensators erhöht und eine Drehung der drehbaren Struktur in einer zweiten Richtung um die erste Achse die Kapazität des ersten Kondensators verringert;
mindestens eine zweite festgelegte Elektrode, die mit dem Substrat verbunden ist, wobei die zweite festgelegte Elektrode und die Elektrode der drehbaren Struktur einen zweiten Kondensator bilden, wobei die Drehung der drehbaren Struktur in der ersten Richtung um die erste Achse die Kapazität des zweiten Kondensators verringert und die Drehung der drehbaren Struktur in der zweiten Richtung um die erste Achse die Kapazität des zweiten Kondensators erhöht;
wobei das magnetische Moment des ferromagnetischen Materials entlang einer zweiten Achse, die zu der ersten Achse senkrecht ist, ausgerichtet ist, so daß die drehbare Struktur in Abhängigkeit von einer Magnetfeldkomponente drehbar ist, die senkrecht zu der ersten Achse und senkrecht zu der zweiten Achse ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine einzige Einrichtung verwendet, um Magnetfelder in mehr als einer Achse zu messen. Einrichtungen, die für Magnetfelder in drei senkrechten Achsen empfindlich sind, können auf einem einzigen Chip gemeinsam mit Beschleunigungsmessern oder anderen mikromechanisch bearbeiteten Trägheitssensoren und Auflösungsschaltungen angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet die mikromechanisch bearbeitete Struktur Differenzkondensatoren, die so angeordnet sind, daß die Drehung der Struktur die Mittelelektrode jedes Differenzkondensators veranlaßt, sich näher zu einer der beiden festgelegten Elektroden des Differenzkondensators und weiter weg von der anderen festgelegten Elektrode zu bewegen. Die resultierende Änderung der Differenz-Kapazität ist zu dem Betrag der Bewegung proportional, der seinerseits zu der auf die Struktur aufgebrachten Winkelbeschleunigung (oder zu dem Drehmoment) proportional ist.
Ein ferromagnetisches Material ist auf die bewegbare Mittelelektrode der mikromechanisch bearbeiteten Struktur aufgebracht, um der Struktur ein magnetisches Moment m zu geben. Bevorzugt hat die Struktur ein geringes Trägheitsmoment, um die Empfindlichkeit der Struktur gegenüber jeder äußeren mechanischen Winkelvibration zu minimieren, die dazu führen könnte, eine Bewegung der Struktur hervorzurufen.
Bei typischen mikromechanisch bearbeiteten Strukturen ist das Trägheitsmoment der Mittelelektrode hinreichend niedrig, so daß im normalen Anwendungsfall eine mechanische Vibration keine hinreichend große Bewegung hervorruft, um die Funktionalität des Magnetometers zu beeinträchtigen.
Eine Struktur, die sich um eine zu der Ebene des Substrats senkrechte Achse dreht (sich also um die Z-Achse dreht), ist für ein Magnetfeld entlang der X-Achse empfindlich, wenn das magnetische Moment des ferromagnetischen Materials mit der Y-Achse ausgerichtet ist. Gleichermaßen ist eine solche Struktur für ein Magnetfeld entlang der Y-Achse empfindlich, wenn das magnetische Moment des ferromagnetischen Materials mit der X-Achse ausgerichtet ist.
Strukturen mit zueinander senkrechten magnetischen Momenten (z. B. mit der X-und der Y-Achse ausgerichtet) können mittels verschiedener Techniken erhalten werden. Bei einem Verfahren wird das ferromagnetische Material auf jede der zwei Strukturen in Form von langen dünnen Streifen aufgebracht.
Die Streifen sind auf der ersten Struktur entlang der X-Achse und auf der zweiten Struktur entlang der Y-Achse orientiert. Ein Magnetfeld wird auf die Einrichtung unter 45º von der X-Achse aufgebracht. Dadurch werden die magnetischen Dipole entlang der X-Achse für die erste Struktur und entlang der Y-Achse für die zweite Struktur gebildet.
Gemäß einer zweiten Technik wird auf die eine Struktur ein hartes ferromagnetisches Material aufgebracht, und auf die andere Struktur wird ein weicheres ferromagnetisches Materialaufgebracht. Ein Magnetfeld wird an die Einrichtung in einer Richtung angelegt, so daß die beiden ferromagnetischen Materialien magnetisiert werden.
Dann wird in einer zweiten Richtung ein geringeres Magnetfeld angelegt, das zu dem ersten orthogonal ist. Das schwächere Magnetfeld reicht aus, um das weichere ferromagnetische Material in der zweiten Richtung, die zu der ersten orthogonal ist, umzumagnetisieren. Das schwächere Magnetfeld reicht aus, um das weichere ferromagnetische Material in der zweiten Richtung umzumagnetisieren, ohne die Magnetisierung des härteren ferromagnetischen Materials zu beeinträchtigen.
Eine Struktur, die für ein Magnetfeld entlang der Z-Achse empfindlich ist, ist aus einer Platte gebildet, die über dem Substrat aufgehängt ist, so daß sie sich entweder in der X-Achse oder der Y-Achse drehen kann. Ein Differenzkondensator ist auf beiden Seiten der aufgehängten Platte aus festgelegten Platten gebildet.
Ein ferromagnetisches Material ist auf die aufgehängte Platte mit einem magnetischen Moment aufgebracht, das um eine Achse orientiert ist, die zu der Achse senkrecht ist, um die sich die aufgehängte Platte drehen kann.
Die Verwendung einer dieser Plattenstrukturen und einer der Strukturen, die sich um die Z-Achse drehen, ermöglicht die Ausbildung eines Doppelachsen-Magnetometers, bei dem die magnetischen Momente beider Strukturen entlang derselben Achse orientiert sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht von oben auf ein mikromechanisch bearbeitetes Magnetometer einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht von oben auf ein Doppelachsen-Magnetometer, das die Erfindung verkörpert, wobei eine Methode zur Magnetisierung von zwei Magnetometerstrukturen entlang zwei verschiedenen Achsen veranschaulicht wird;
Fig. 3 ist eine Draufsicht von oben auf ein Doppelachsen-Magnetometer, das die Erfindung verkörpert, wobei eine zweite Methode zur Magnetisierung von zwei Magnetometerstrukturen entlang zwei verschiedenen Achsen veranschaulicht wird;
Fig. 4 ist eine Draufsicht von oben auf ein mikromechanisch bearbeitetes Magnetometer zur Messung von Magnetfeldern entlang der Z-Achse;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht des in Fig. 4 gezeigten mikromechanisch bearbeiteten Magnetometers;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht eines anderen mikromechanisch bearbeiteten Magnetometers zur Messung von Magnetfeldern entlang der Z-Achse;
Fig. 7 ist teilweise in Blockform und teilweise schematisch eine Schaltung zur Verwendung mit einem Magnetometer gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist teilweise in Blockform und teilweise schematisch eine zweite Schaltung zur Verwendung mit einem Magnetometer gemäß der vorliegenden Erfindung.

Genaue Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Eine Struktur zur Messung von Magnetfeldern entlang der X- oder der Y-Achse ist in Fig. 1 gezeigt. Die Magnetometerstruktur 10 ist eine 2 um dicke Polysiliziumstruktur, die über einem Siliziumsubstrat 12 aufgehängt ist. Die Magnetometerstruktur 10 ist mit einem Substrat 12 an Ankerelementen 16 verbunden, die symmetrisch um die Magnetometerstruktur 10 herum positioniert sind. Eine Scheibe 20 befindet sich in der Mitte der Magnetometerstruktur 10. Stege 24 verbinden die Scheibe 20 mit einem Ring 22.
Der Abstand zwischen der Scheibe 20 und dem Ring 22 trägt dazu bei, das Trägheitsmoment der Magnetometerstruktur 10 zu verringern und ihre Empfindlichkeit gegenüber einer äußeren mechanischen Kraft zu minimieren, die dazu tendieren würde, eine Drehung der Struktur zu bewirken. Bevorzugt ist eine mechanische Störung in der Größenordnung von 1000 rad/s² erforderlich, bevor eine nachweisbare Drehung auftritt.
Aufhängearme 28 erstrecken sich von dem Ring 22 aus und weisen lange Segmente 30, 32 und 34 und ein kurzes Segment 36 auf. Die langen Segmente 30, 32 und 34 sind biegsam, so daß sich die Magnetometerstruktur 10 um die Z-Achse drehen kann.
Bewegliche Finger 40 erstrecken sich ebenfalls von dem Ring 22 aus. Ein festgelegter Finger 42 liegt im Gegenuhrzeigersinn jedem beweglichen Finger 40 parallel, und ein festgelegter Finger 44 liegt im Uhrzeigersinn jedem beweglichen Finger 40 parallel. Ankerelemente 46 und 48 verbinden die festgelegten Finger 42 bzw. 44 mit dem Substrat 12.
Jeder festgelegte Finger 42 ist durch Diffusionssegmente im Substrat 12 elektrisch angeschlossen. Ebenso ist jeder festgelegte Finger 44 durch Diffusionssegmente im Substrat 12 elektrisch angeschlossen. Gemeinsam bilden die beweglichen Finger 40 und die festgelegten Finger 42 und 44 einen Differenzkondensator.
In Fig. 1 sind der Klarheit halber nur vier Zellen, bestehend aus einem beweglichen Finger 40 und festgelegten Fingern 42 und 44, gezeigt. Bevorzugt werden jedoch 20 oder mehr derartige Zellen verwendet, um eine höhere Empfindlichkeit zu erzielen.
Eine Drehung der Magnetometerstruktur 10 im Gegenuhrzeigersinn bringt den beweglichen Finger 40 näher an den festgelegten Finger 42 und weiter weg von dem festgelegten Finger 44. Dadurch wird die Kapazität des von dem federnden Finger 40 und dem festgelegten Finger 42 gebildeten Kondensators 60 erhöht und die Kapazität des von dem federnden Finger 40 und dem festgelegten Finger 44 gebildeten Kondensators 62 verringert.
Ebenso bringt eine Drehung der Magnetometerstruktur 10 im Uhrzeigersinn den federnden Finger 40 näher zu dem festgelegten Finger 44 und weiter weg von dem festgelegten Finger 42. Dadurch wird die Kapazität des Kondensators 62 erhöht und diejenige des Kondensators 60 verringert.
Alternativ könnten die festgelegten Finger 42 und 44 über oder unter dem federnden Finger 40 sein, wobei die Mitten der festgelegten Finger 42 und 44 zu der einen oder anderen Seite der Mitte des federnden Fingers 40 verlagert werden. Bei einer solchen Anordnung ändert eine Drehung der Magnetometerstruktur 10 die Kapazität der Kondensatoren 60 und 62 durch Änderung der kapazitiven Flächen dieser Kondensatoren.
Bevorzugt hat die Scheibe 20 einen Durchmesser von ungefähr 100 um, und der Ring 22 hat einen Durchmesser von ungefähr 200 um. Das lange Segment 30 des Aufhängearms 28 ist ungefähr 200 um lang und 2 um breit; die langen Segmente 32 und 34 sind ungefähr 150 um lang und 2 um breit.
Die beweglichen Finger 40 sind ungefähr 100 um lang, und die festgelegten Finger 42 und 44 sind ungefähr 100 um lang. Jeder Finger 40, 42 und 44 ist ungefähr 3,5 um breit, wobei zwischen jedem beweglichen Finger 40 und seinen benachbarten festgelegten Fingern 42 und 44 ein Spalt von 1,2 um vorhanden ist.
Ferromagnetisches Material 54 ist auf die Scheibe 20 in einem rechteckigen Muster aufgebracht. Bevorzugt besteht das ferromagnetische Material 54 aus Bariumhexaferrit oder Cobalt-Platin-Chrom. Nickel oder andere ferromagnetische Materialien könnten aber ebenfalls verwendet werden. Bevorzugt wird das ferromagnetische Material 54 auf die Oberseite der Scheibe 20 bis auf eine Dicke in der Größenordnung von 1000 Å aufgesputtert. Alternativ könnte ein Galvanisierungsverfahren angewandt werden.
Um die Magnetometerstruktur 10 für entlang der Y-Achse orientierte Magnetfelder empfindlich zumachen, wird das ferromagnetische Material 54 so magnetisiert, daß es ein entlang der X-Achse orientiertes magnetisches Moment hat (wie in Fig. 1 gezeigt ist); alternativ wird, um die Magnetometerstruktur 10 für entlang der X-Achse orientierte Magnetfelder empfindlich zu machen, das ferromagnetische Material 54 so magnetisiert, daß es ein entlang der Y-Achse orientiertes magnetisches Moment hat. Bevorzugt sind die langen Seiten des ferromagnetischen Materials 54 parallel zu der Achse orientiert, entlang welcher das ferromagnetische Material 54 magnetisiert ist.
Zwei dieser Magnetometerstrukturen können auf einem einzigen Chip ausgebildet sein, um ein Doppelachsen-Magnetometer zu erhalten. Bei einem Doppelachsen- Magnetometer, das zwei dieser Strukturen verwendet, hat das ferromagnetische Material 54 auf der ersten Magnetometerstruktur 10 ein entlang einer Achse orientiertes magnetisches Moment, und das ferromagnetische Material 54 auf der zweiten Magnetometerstruktur 10 hat ein entlang einer zweiten Achse orientiertes magnetisches Moment.
Wie Fig. 2 zeigt, kann ein Doppelachsen-Magnetometer, das zwei der in Fig. 1 gezeigten Strukturen verwendet (in Fig. 2 sind nur die zentralen Bereiche der Strukturen gezeigt), hergestellt werden, indem eine Serie von Streifen aus ferromagnetischem Material 100 auf eine Scheibe 120 der Magnetometerstruktur 110 entlang der X-Achse und eine Serie von Streifen aus ferromagnetischem Material 105 auf einer Scheibe 125 der Magnetometerstruktur 115 entlang der Y-Achse aufgebracht wird.
Eine Magnetisierungsachse wird entlang der Länge der Streifen (entlang der X-Achse für die Scheibe 120 und entlang der Y-Achse für die Scheibe 125) durch Abscheiden des ferromagnetischen Materials in polykristalliner oder amorpher Form ausgebildet.
Ein äußeres Magnetfeld B wird an die beiden Magnetometerstrukturen 110 und 115 unter einem Winkel von ungefähr 45º von der X-Achse, wie die Linie 130 zeigt, angelegt. Das bewirkt die Ausbildung eines magnetischen Dipols entlang der X-Achse in dem ferromagnetischen Material 100 auf der Scheibe 120 und eines magnetischen Dipols entlang der Y-Achse in dem ferromagnetischen Material 105 auf der Scheibe 125. Die Magnetometerstruktur 110 ist für entlang der Y-Achse angelegte Magnetfelder empfindlich, und die Magnetometerstruktur 115 ist für entlang der X-Achse angelegte Magnetfelder empfindlich.
Sofern Bearbeitungsabweichungen zu einer Fehlausrichtung der magnetischen Dipole in bezug auf die X-Achse und/oder die Y-Achse führen, kann die (nachstehend beschriebene) Verarbeitungsschaltung durch Dünnschicht-Abgleichwiderstände oder andere im Stand der Technik bekannte Methoden eingestellt werden, um ein Ausgangssignal zu erhalten, das die Größe entlang der X-Achse und entlang der Y-Achse von Magnetfeldern präzise reflektiert.
Wie Fig. 3 zeigt, kann alternativ ein Doppelachsen-Magnetometer unter Verwendung von zwei der in Fig. 1 gezeigten Strukturen hergestellt werden, indem zwei ferromagnetische Materialien unterschiedlicher magnetischer Härte auf den beiden Scheiben abgeschieden werden. Ein ferromagnetisches Material 200 wird auf einer Scheibe 220 einer Magnetometerstruktur 210 abgeschieden, und ein ferromagnetisches Material 205 wird auf einer Scheibe 225 einer Magnetometerstruktur 215 abgeschieden.
Das ferromagnetische Material 200 ist härter als das ferromagnetische Material 205 und hat eine höhere Koerzitivfeldstärke als dieses. Außerdem hat das ferromagnetische Material 200 eine höhere Curietemperatur als das ferromagnetische Material 205.
Ein äußeres Magnetfeld B wird an die Magnetometerstrukturen 210 und 215 entlang der X-Achse angelegt. Das Magnetfeld B ist größer als die Koerzitivkraft des ferromagnetischen Materials 200. Infolgedessen werden die ferromagnetischen Materialien 200 und 205 entlang der Y-Achse magnetisiert (d. h. ein magnetischer Dipol wird ausgebildet).
Das Magnetfeld B wird dann entfernt, und die Magnetometerstrukturen 210 und 215 werden auf eine Temperatur oberhalb der Curietemperatur des ferromagnetischen Materials 205, jedoch unterhalb der Curietemperatur des ferromagnetischen Materials 200 erhitzt. Dadurch wird der magnetische Dipol aus dem ferromagnetischen Material 205 entfernt.
Nach dem Abkühlen der Magnetometerstrukturen 210 und 215 wird ein äußeres Magnetfeld B' entlang der Y-Achse an die Magnetometerstrukturen 210 und 215 angelegt. Das äußere Magnetfeld B' ist größer als die Koerzitivkraft des ferromagnetischen Materials 205, jedoch geringer als die Koerzitivkraft des ferromagnetischen Materials 200. Somit wird in dem ferromagnetischen Material 205 entlang der Y-Achse ein magnetischer Dipol ausgebildet, während der magnetische Dipol in dem ferromagnetischen Material 200 entlang der X-Achse verbleibt.
Alternativ kann diese Methode ohne Erhitzen der Magnetometerstrukturen 210 und 215 angewandt werden, indem äußere Magnetfelder angewandt werden, um das ferromagnetische Material 205 zu entmagnetisieren und dann erneut zu magnetisieren, ohne daß das ferromagnetische Material 200 beeinflußt wird.
Eine Struktur zur Messung von Magnetfeldern entlang der Z-Achse ist in Fig. 4 gezeigt. Die Polysilizium-Magnetometerstruktur 310 ist ungefähr 2 um dick und weist eine Platte 320 auf, die über einem Substrat 312 aufgehängt ist. Bevorzugt sind die langen Seiten der Platte 320 ungefähr 250 um lang, und die kurzen Seiten der Platte 320 sind ungefähr 150 um lang.
Die langen Seiten erstrecken sich entlang der X-Achse, und die kurzen Seiten erstrecken sich entlang der Y-Achse. Die Magnetometerstruktur 310 ist mit dem Substrat 312 an Ankerstellen 316 an gegenüberliegenden Seiten der Magnetometerstruktur 310 verbunden. Die Ankerstellen 316 sind ebenfalls aus Polysilizium gebildet.
Aufhängearme 328 erstrecken sich von der Mitte der langen Seiten der Platte 320 entlang der Y-Achse zu Ankerstellen 316. Die Aufhängearme 328 sind jeweils ungefähr 40 um lang und ungefähr 2 um breit und imstande, sich um die Y-Achse zu verdrehen, so daß die Platte 320 veranlaßt wird, sich im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn um die Y-Achse zu drehen.
Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, ist die festgelegte Platte 342 unter der einen Seite der Platte 320 positioniert, und die festgelegte Platte 344 ist unter der anderen Seite der Platte 320 positioniert. Die festgelegten Platten 342 und 344 sind ungefähr 0,5 um dick und aus Polysilizium gebildet, das über dem Substrat 312 abgeschieden ist.
Gemeinsam bilden die Platte 320, die festgelegte Platte 342 und die festgelegte Platte 344 einen Differenzkondensator. Eine Drehung der Magnetometerstruktur 310 im Gegenuhrzeigersinn bringt die Platte 320 näher zu der festgelegten Platte 342 und weiter von der festgelegten Platte 344 weg.
Dadurch wird die Kapazität des von der Platte 320 und der festgelegten Platte 342 gebildeten Kondensators 360 erhöht und die Kapazität des von der Platte 320 und der festgelegten Platte 344 gebildeten Kondensators 362 verringert.
Gleichermaßen bringt eine Drehung der Magnetometerstruktur 310 im Uhrzeigersinn die Platte 320 näher zu der festgelegten Platte 344 und weiter weg von der festgelegten Platte 342. Dadurch wird die Kapazität des Kondensators 362 erhöht und die Kapazität des Kondensators 360 verringert.
Ferromagnetisches Material 354 ist auf der Platte 320 abgeschieden und so magnetisiert, daß es ein entlang der X-Achse orientiertes magnetisches Moment hat. Alternativ kann die Magnetometerstruktur 310 mit ihren langen Seiten und dem magnetischen Moment des ferromagnetischen Materials 354 entlang der Y-Achse orientiert sein.
Eine Struktur zur Messung von Magnetfeldern entlang der Z-Achse kann ebenfalls auf einer freitragenden Struktur basieren, wobei die festgelegten Platten über und unter dem freien Ende des einseitig eingespannten Elements liegen. Wie Fig. 6 zeigt, weist eine Magnetometerstruktur 410 eine Polysiliziumplatte 420 auf, die über einem Substrat 412 an Aufhängearmen 428 aufgehängt ist, die mit Ankerelementen 416 verbunden sind.
Die Magnetometerstruktur 410 gleicht der Magnetometerstruktur 310 der Fig. 4 und 5, wobei jedoch der Bereich der Platte 320 links von den Aufhängearmen 328 weggelassen ist und die festgelegten Platten und das ferromagnetische Material verlagert sind.
Die Magnetometerstruktur 410 kann sich um die Y-Achse drehen. Die festgelegte Platte 442, die aus einer zusätzlichen Polysiliziumschicht gebildet ist, erstreckt sich über das freie Ende der Platte 420. Die festgelegte Platte 444, die aus über dem Substrat 412 abgeschiedenem Polysilizium gebildet ist, ist unter dem freien Ende der Platte 420 positioniert.
Gemeinsam bilden die Platte 420, die festgelegte Platte 442 und die festgelegte Platte 444 einen Differenzkondensator. Eine Drehung der Magnetometerstruktur 410 im Gegenuhrzeigersinn bringt die Platte 420 näher zu der festgelegten Platte 442 und weiter weg von der festgelegten Platte 444. Dadurch wird die Kapazität des von der Platte 420 und der festgelegten Platte 442 gebildeten Kondensators 460 erhöht und die Kapazität des von der Platte 420 und der festgelegten Platte 444 gebildeten Kondensators 462 verringert.
Gleichermaßen bringt eine Drehung der Magnetometerstruktur 410 im Uhrzeigersinn die Platte 420 näher zu der festgelegten Platte 444 und weiter weg von der festgelegten Platte 442. Dadurch wird die Kapazität des Kondensators 462 erhöht und die Kapazität des Kondensators 460 verringert.
Ferromagnetisches Material 454 ist auf der Platte 420 abgeschieden und so magnetisiert, daß es ein entlang der X-Achse orientiertes magnetisches Moment hat. Alternativ kann die Magnetometerstruktur 410 mit ihren langen Seiten und dem magnetischen Moment des ferromagnetischen Materials 454 entlang der Y-Achse orientiert sein.
Die oben beschriebenen drehbaren Strukturen können mit im Stand der Technik bekannten mikromechanischen Oberflächenbearbeitungstechniken hergestellt werden. Ein mikromechanisches Oberflächenbearbeitungsverfahren ist beispielsweise in der US-PS 5 314 572 gezeigt.
Eine Magnetometerstruktur zur Erfassung von Magnetfeldern entlang der Z-Achse kann auf demselben Chip wie eine Magnetometerstruktur zur Erfassung von Magnetfeldern entlang der X-Achse oder der Y-Achse ausgebildet sein, um ein Doppelachsen-Magnetometer zu erhalten.
Wenn zwei dieser Magnetometerstrukturen verwendet werden, sind bevorzugt die magnetischen Momente einer jeden entlang der gleichen Achse, um die Magnetisierung der Strukturen zu vereinfachen.
Ein Dreiachsen-Magnetometer kann aus einer Magnetometerstruktur, die für Magnetfelder entlang der X-Achse empfindlich ist, einer Magnetometerstruktur, die für Magnetfelder entlang der Y-Achse empfindlich ist, und einer Magnetometerstruktur, die für Magnetfelder entlang der Z-Achse empfindlich ist, auf demselben Chip gebildet werden. Die oben beschriebenen Methoden zur Magnetisierung eines Doppelachsen-Magnetometers können auch bei einem Dreiachsen-Magnetometer angewandt werden.
Beispielsweise kann das ferromagnetische Material auf jede Magnetometerstruktur in Form von Streifen aufgebracht sein. Die Streifen auf dem Sensor zur Messung von Magnetfeldern entlang der Z-Achse sind mit den langen Seiten der drehbaren Platte ausgerichtet. Oder es kann ein ferromagnetisches Material auf dem Z-Achse- Sensor und einem der anderen Sensoren abgeschieden werden, und ein zweites ferromagnetisches Material kann auf dem dritten Sensor abgeschieden werden.
Wenn im Normalbetrieb ein äußeres Magnetfeld B an das Magnetometer angelegt wird, wird ein Drehmoment L auf der Basis des Kreuzprodukts des Magnetfelds B und des magnetischen Moments m des auf der drehbaren Struktur abgeschiedenen ferromagnetischen Materials erzeugt:
L = m · B
Die Größe dieses Drehmoments ist von der Orientierung des magnetischen Dipols relativ zu der Richtung des äußeren Magnetfelds abhängig:
L = m · B = m·B·sinα
wobei α der Orientierungswinkel des magnetischen Dipols relativ zu der Richtung des äußeren Magnetfelds B ist. Dieses Drehmoment hat die Tendenz, die Struktur zu drehen, aber das von der Aufhängung der Struktur erzeugte Rückstelldrehmoment wirkt ihm entgegen. Das Rückstelldrehmoment basiert auf der Winkelverlagerung θ der Struktur gemäß der Gleichung:
L = K·θ
wobei K die Rotationsfederkonstante der Struktur ist.
Im Gleichgewicht sind die Drehmomente gleich:
L = K·A = m·B·sinα
Die Auflösung nach θ ergibt:
θ = (m·B·sinα)/K
Somit ist bei einem fest vorgegebenen magnetischen Moment m und einer Rotationsfederkonstanten K die Winkelverlagerung der Struktur zu dem äußeren Magnetfeld B und zu sinα linear proportional.
Bei einem gegebenen magnetischen Moment, das entlang einer Achse ausgerichtet ist, ist ferner die Winkelverlagerung zu der Stärke des äußeren Magnetfelds entlang einer Achse, die zu der Achse der magnetischen Bewegung senkrecht ist, linear proportional. Durch Bestimmen der Winkelverlagerung der Struktur kann somit die Stärke eines Magnetfelds entlang einer gegebenen Achse bestimmt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das ferromagnetische Material so magnetisiert, daß sein magnetisches Moment m in der Größenordnung von 10&supmin;&sup6; emu ist, und die Rotationsfederkonstante K der Struktur ist ungefähr zwischen 0,01 und 1,0 dyn-cm/¹ (10&supmin;&sup9; und 10&supmin;&sup7; Nm).
Ein typisches Magnetometer gemäß der vorliegenden Erfindung kann imstande sein, Winkelverlagerungen in der Größenordnung von 10&supmin;¹&sup0; rad und Magnetfelder in der Größenordnung von 1 mGauss (10&supmin;&sup7; T) oder besser aufzulösen.
Der Differenzkondensator jeder der oben beschriebenen Strukturen dient zur Messung der Winkelverlagerung θ. Wie Fig. 7 zeigt, die eine Schaltungskonfiguration mit offener Schleife zeigt, werden zwei Trägersignale 502 und 504 an festgelegte Elektroden 506 und 508 eines Differenzkondensators 510 angelegt. Festgelegte Elektroden 506 und 508 entsprechen beispielsweise den festgelegten Fingern 42 und 44 von Fig. 1, festgelegten Platten 342 und 344 von Fig. 4 und festgelegten Platten 442 und 444 von Fig. 6.
Die Trägersignale 502 und 504 haben die gleiche Frequenz und sind zueinander um 180º phasenverschoben. Typischerweise liegen die Trägersignale 502 und 504 zwischen ungefähr 100 kHz und 1 MHz. An die festgelegten Elektroden 506 und 508 können auch verschiedene Gleichstrom-Offsets angelegt werden.
Wenn sich die drehbare Struktur in ihrer Ruheposition befindet, in der sie keinem äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist, dann ist die Mittelelektrode 520, die Teil der drehbaren Struktur ist, zwischen den festgelegten Elektroden 506 und 508 zentriert. Die Kapazität des Kondensators 522, der durch die Mittelelektrode 520 und die festgelegte Elektrode 506 gebildet ist, ist gleich der Kapazität des Kondensators 524, der durch die Mittelelektrode 520 und die festgelegte Elektrode 508 gebildet ist.
Die Mittelelektrode 520 spricht beispielsweise auf den in Fig. 1 gezeigten beweglichen Finger 40 oder auf die in Fig. 4 gezeigte Platte 320 oder auf die in Fig. 6 gezeigte Platte 420 an. Da die Kapazitäten der Kondensatoren 522 und 524 gleich sind, wird von den Trägersignalen 502 und 504 kein Signal an der Mittelelektrode 520 induziert.
Wenn die drehbare Struktur und die Mittelelektrode 520 aufgrund des von einem äußeren Magnetfeld erzeugten äußeren Drehmoments gedreht werden, ändern sich die Kapazitäten der Kondensatoren 522 und 524 in entgegengesetzte Richtungen. Wenn sich beispielsweise die Mittelelektrode 520 so dreht, daß sie näher an der festgelegten Elektrode 506 (und weiter entfernt von der festgelegten Elektrode 508) ist, erhöht sich die Kapazität des Kondensators 522, und die Kapazität des Kondensators 524 verringert sich.
Diese Differenz-Änderung induziert ein Signal mit der Frequenz der Trägersignale 502 und 504 an der Mittelelektrode 520. Die Amplitude des induzierten Signals ist zu der Drehung der Mittelelektrode 520 und der drehbaren Struktur proportional.
Das Differenzsignal wird dem Eingang eines Puffers 530 zugeführt. Das Ausgangssignal des Puffers 530 wird dem Eingang eines Demodulators 532 zugeführt, um ein Basisband-Verlagerungssignal zu erhalten. Das Ausgangssignal des Demodulators 532 wird einem Verstärker 534 zugeführt, dessen Ausgangssignal zu der Winkelverlagerung und der Größe des äußeren Magnetfelds entlang einer empfindlichen Achse proportional ist. Die empfindliche Achse ist die Achse, die sowohl zu der Drehachse als auch zu der Achse, entlang der das ferromagnetische Material magnetisiert ist, senkrecht ist.
Dünnschichtwiderstände 536 und 538 sind zwischen den Ausgang des Verstärkers 534 und Masse 540 in Reihe geschaltet. Das Ausgangssignal Vo wird von dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 536 und 538 erhalten. Durch Abgleichen von einem oder beiden der Widerstände 536 und 538 mit dem Signal Vo kann die Vorrichtung in bezug auf Verarbeitungsabweichungen eingestellt oder anderweitig kalibriert werden.
Alternativ kann eine Konfiguration mit geschlossener Schleife verwendet werden. Beispielsweise kann, wie Fig. 8 zeigt, das Ausgangssignal 16 durch den Widerstand 542 zu der Mittelelektrode 520 rückgeführt werden. Der Widerstand 542 hat typischerweise einen Wert von 3 Megaohm. Bevorzugt werden bei einer Konfiguration mit geschlossener Schleife unterschiedliche Gleichstromabweichungen an die festgelegten Elektroden 506 und 508 angelegt.
Bevorzugt sind die Schaltungskomponenten einschließlich Puffer 530, Demodulator 532, Verstärker 534 und Widerstände 536, 538 und 542 sämtlich in dem Substrat mit herkömmlichen Fertigungsverfahren für integrierte Schaltungen ausgebildet.
Schaltungen für eine Konfiguration mit offener und eine mit geschlossener Schleife sind ferner in der US-PS 5 345 824 beschrieben.
Bei einer typischen Ausführungsform wird für jede drehbare Struktur (d. h. für jede empfindliche Achse) eine separate Schaltung verwendet.
Vorstehend wurden zwar Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben, es versteht sich jedoch für den Fachmann, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Somit ist die Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Äquivalente begrenzt.

Claims

1. Mikromechanisch bearbeitetes elektromechanisches Magnetometer, das folgendes aufweist: eine drehbare Struktur (10), die über einem Substrat (12) aufgehängt ist, und ein ferromagnetisches Material (54), das ein magnetisches Moment hat und mit der drehbaren Struktur verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Magnetometer ferner folgendes aufweist:

mindestens eine Elektrode (40) der drehbaren Struktur;

mindestens einen Aufhängearm (28), wobei jeder Aufhängearm ein erstes Ende (16), das mit dem Substrat (12) verbunden ist, und ein zweites Ende hat, das mit der drehbaren Struktur (10) so verbunden ist, daß die drehbare Struktur um eine erste Achse, die zu der Oberfläche des Substrats (12) senkrecht ist, drehbar ist;

mindestens eine erste festgelegte Elektrode (42), die mit dem Substrat (12) verbunden ist, wobei die erste festgelegte Elektrode und die Elektrode der drehbaren Struktur einen ersten Kondensator bilden, wobei eine Drehung der drehbaren Struktur (10) in einer ersten Richtung um die erste Achse die Kapazität des ersten Kondensators erhöht und eine Drehung der drehbaren Struktur in einer zweiten Richtung um die erste Achse die Kapazität des ersten Kondensators verringert;

mindestens eine zweite festgelegte Elektrode (44), die mit dem Substrat (12) verbunden ist, wobei die zweite festgelegte Elektrode und die Elektrode der drehbaren Struktur einen zweiten Kondensator bilden, wobei die Drehung der drehbaren Struktur (10) in der ersten Richtung um die erste Achse die Kapazität des zweiten Kondensators verringert und die Drehung der drehbaren Struktur in der zweiten Richtung um die erste Achse die Kapazität des zweiten Kondensators erhöht;

wobei das magnetische Moment des ferromagnetischen Materials (54) entlang einer zweiten Achse, die zu der ersten Achse senkrecht ist, ausgerichtet ist, so daß die drehbare Struktur in Abhängigkeit von einer Magnetfeldkomponente drehbar ist, die senkrecht zu der ersten Achse und senkrecht zu der zweiten Achse ist.

2. Magnetometer nach Anspruch 1,

wobei jede Elektrode (40) der drehbaren Struktur aus einem Finger (40) der drehbaren Struktur besteht,

wobei jede erste festgelegte Elektrode (42) aus einem ersten festgelegten Finger besteht, der einer ersten Seite eines Fingers (40) der drehbaren Struktur benachbart ist, und

wobei jede zweite festgelegte Elektrode (44) aus einem zweiten Finger besteht, der einer zweiten Seite eines Fingers (40) der drehbaren Struktur benachbart ist.

3. Magnetometer nach Anspruch 2, wobei die drehbare Struktur (10) mindestens zwei Finger (40) der drehbaren Struktur hat und die Finger der drehbaren Struktur annähernd symmetrisch bezüglich der ersten Achse positioniert sind.

4. Magnetometer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die drehbare Struktur (10) einen Mittelbereich (20) hat und jeder Finger (40) der drehbaren Struktur sich annähernd radial von dem Mittelbereich aus erstreckt.

5. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ferromagnetische Material (54) mit dem Mittelbereich (20) der drehbaren Struktur (10) verbunden ist.

6. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ferromagnetische Material (54) Bariumhexaferrit aufweist.

7. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ferromagnetische Material (54) Cobalt-Platin-Chrom aufweist.

8. Mikromechanisch bearbeitete elektromechanische Vorrichtung, die mindestens ein erstes Magnetometer (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, die ferner mindestens ein zweites Magnetometer (115) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei die Drehachsen des ersten und des zweiten Magnetometers parallel sind und die Achsen der Orientierungen der magnetischen Momente des ersten und des zweiten Magnetometers senkrecht zueinander sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, die ferner mindestens ein drittes Magnetometer aufweist, das so angeordnet ist, daß es eine Magnetfeldkomponente erfaßt, die zu der Oberfläche des Substrats senkrecht ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,

die ferner folgendes aufweist:

einen Puffer (530), der in dem Substrat ausgebildet ist und einen Eingang, der mit der drehbaren Elektrode (520) elektrisch verbunden ist, und einen Ausgang hat;

einen Demodulator (532), der in dem Substrat ausgebildet ist und einen Eingang, der mit des Ausgang des Puffers verbunden ist, und einen Ausgang hat; und

einen Verstärker (534), der in dem Substrat ausgebildet ist und einen Eingang, der mit dem Ausgang des Demodulators verbunden ist, und einen Ausgang hat.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, die ferner einen Beschleunigungsmesser aufweist, der eine bewegbare Masse, die über dem Substrat aufgehängt ist, und eine Vielzahl von Aufhängearmen hat, wobei jeder Aufhängearm ein mit dem Substrat verbundenes erstes Ende und ein mit der bewegbaren Masse verbundenes zweites Ende hat.