CN101568840A - 微机械多轴加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微机械加速度传感器，其包括基底(1)、平行于基底平面延伸的弹性薄膜(5)和振动质量(6)，弹性薄膜(5)部分地与基底连接并具有能够垂直于基底平面偏移的平面区域，振动质量(6)的重心位于弹性薄膜(5)平面之外，其中，振动质量(6)隔开距离地在基底区域上方延伸，这些基底区域位于弹性薄膜(5)区域之外并且具有由多个电极(3a，3b，3c，3d)组成的装置，这些电极分别与振动质量(6)的对置区域在电路技术上构成电容器，并且振动质量(6)在其中心区域在弹性薄膜(5)的能够垂直于基底平面偏移的平面区域中固定在弹性薄膜(5)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测多轴加速度的微机械加速度传感器。这种加速度传感器可以作为惯性传感器应用在尤其是汽车的安全系统中。
背景技术
微机械加速度传感器通常被实施为质量-弹簧系统，该质量-弹簧系统具有电容式地分析由所作用的机械力或转矩引起的振动质量偏移的功能。为此设置电极对，这些电极对包括要么牢固地与基底连接要么与振动质量连接的电极，这些电极通常构成平板电容器，其电容与振动质量的偏移有关。就用于测量与其基底平面平行的加速度的传感器元件而言，振动质量的悬挂通常在振动质量的重心所处的平面中实现，从而在该平面中出现加速度时振动质量也在该平面中偏移。
已知的是，如果该振动质量的悬挂或者多个振动质量的悬挂以及必要时还有牢固地与基底连接的电极的悬挂紧密相邻，则通过基底的应力输入耦合对测量信号产生的影响变小。对于能够将平行于基底平面或晶片平面作用的加速度转化成相同平面中的振动质量偏移的常规传感器元件而言，活动的结构和固定的检测电极的这种中心悬挂为了降低传感器的应力敏感性而需要，这种中心悬挂在实际处理方法中由布局决定而导致如此设计的传感器的检测能力降低。
已知的是，对于要检测多个轴的加速度的传感器而言，为每个轴设置有一个单独的质量-弹簧系统，这会相应地增加这种传感器对空间的需求。这对芯片面积的需求产生不利影响，由此对制造成本产生不利影响，并且由于构件尺寸不可避免地增加而在有些场合表现出明显的竞争劣势。
此外已知的是，实施具有振动质量的多轴加速度传感器，该振动质量用于与设置在比较中心的悬挂相结合来测量多个方向上的加速度。这些系统基于：振动质量借助多个星形延伸的连接梁悬挂，这些连接梁能够实现振动质量的悬挂式支承。但是目前这种系统只能以费事的体积微机械的方法制造，因而是相当昂贵的。
发明内容
本发明的目的是，提供一种微机械加速度传感器，与体积微机械的方法相比，该加速度传感器的制造费用更低并且能够在空间需求低和经基底的干扰耦合的应力敏感性低的情况下实现多轴加速度的检测。
该目的通过具有权利要求1的特征的微机械加速度传感器实现。从属权利要求2至10涉及按照本发明的加速度传感器的有利设计方案。
本发明包括一种微机械加速度传感器，该微机械加速度传感器包括基底、平行于基底平面延伸的弹性薄膜和振动质量，弹性薄膜部分地与基底连接并且具有能够垂直于基底平面偏移的平面区域，振动质量的重心处于弹性薄膜平面之外，其中，振动质量在基底侧具有一个平的面，该面在一些基底区域上方延伸，这些基底区域位于弹性薄膜区域之外并且具有由多个电极组成的装置。振动质量的平的面在静止状态下平行于由多个电极组成的装置延伸，这些电极分别与振动质量的对置区域在电路技术上构成电容器。振动质量在其中心区域在弹性薄膜的能够垂直于基底平面偏移的平面区域中固定在弹性薄膜上。振动质量和电极之间的距离如此确定，使得振动质量能够实现功能正确的偏移。
振动质量在设置有电极的基底区域前的间隔距离使得能够实现单个电极和振动质量的对置平面区域之间的距离变化，这导致相应的电容变化。在出现平行于基底平面的加速度时，由于振动质量的重心偏移到弹性薄膜前面而实现振动质量从基底平面或平行的平面偏移(倾斜)出来，该弹性薄膜同时规定振动质量的悬挂位置。通过将振动质量固定在弹性薄膜上同时能够实现振动质量的中心悬挂，无需考虑因布局引起的检测能力的降低。这种按照本发明的传感器的特征在于振动质量的由加速度导致的倾斜没有优选方向。由此，该传感器能够检测两个空间方向的加速度，其中，振动质量、其在弹性薄膜上的悬挂以及在相应的电极装置中构成测量电容器的电极被共同用于这两个方向上的检测。对于在基底上平行延伸的电极和振动质量的相应对置的平面区域而言，能够实现基底和振动质量之间的小的基本距离，由此能够以相对小的面积需求实现高的检测电容。
在分析电路中将在振动质量的倾斜期间的各个电容变化与相应的加速度分量对应起来。如果振动质量具有至少两条平行于基底平面的沿检测方向的对称轴线，则能够实现有利的且相对简单的分析。此外有利的是，在电极和振动质量的对置区域之间的重叠区域中同样具有两条平行于基底平面的沿检测方向的对称轴线。
如果这些电极径向对称地围绕振动质量的固定区域设置在基底上，则能够以特别有利的方式实现这两点。
如果弹性薄膜的能够垂直于基底平面偏移的平面区域、在其中振动质量固定在弹性薄膜上的平面区域、振动质量本身和电极装置分别具有两条平行于基底平面的沿检测方向的对称轴线，其中这些对称轴线的交点垂直于基底平面上下叠置，则得到按照本发明的微机械加速度传感器的特别对称的且易于分析的响应特性。在此特别有利的仍然是相应平面区域的径向对称的设计方案。
为了检测基底平面中的两个加速度分量并且为了便于分析，有利的是，四个电极以按照本发明的方式在弹性薄膜之外设置在基底上。
在此有意义的是，四个电极相同大小地设计，其中，各电极之间的分隔区域径向对称地构造。
振动质量以特别有利的方式包括平行于基底延伸的平板，在电极以几何上相似的方式布置在基底上时，该平板的延伸尺寸基本上确定了加速度传感器的灵敏度和结构大小。
为了避免过大的钻蚀宽度，在处理工艺上有利的是，微机械加速度传感器被如此设计：弹性薄膜在中心区域中与基底连接，并且弹性薄膜的能够垂直于基底平面偏移的平面区域、在其中振动质量固定在弹性薄膜上的平面区域和振动质量的平行于基底延伸的平板都径向对称地围绕该中心区域设置，弹性薄膜在该中心区域中与基底连接。在这种情况下有利的是，振动质量在其中心区域具有环形的沟道，该沟道通到弹性薄膜的穿孔区域。弹性薄膜的钻蚀然后通过振动质量的沟道和穿孔的薄膜区域实现，该钻蚀用于保证弹性薄膜的按照本发明所需的能够垂直于基底平面偏移的平面区域。
附图说明
借助实施例详细解释本发明。附图中：
图1示出按照本发明的加速度传感器垂直于基底平面的示意性剖视图；
图2示出按照本发明的具有中心固定的弹性薄膜的加速度传感器的剖视图和俯视图；
图3a示出按照本发明的电极装置的示例性电路图；
图3b示出可选的电极装置；和
图4示出按照本发明的具有基准电极的电极装置的示例性电路图。
具体实施方式
图1示出按照本发明的加速度传感器垂直于基底平面的示意性剖视图。该传感器包括基底1、位于基底1上的绝缘层2、在绝缘层2中留空的中心区域4以及振动质量6，四个平面电极设置在绝缘层2上，在视图中可看到这四个平面电极中的两个电极3a、3c，弹性薄膜5绷紧在中心区域4上，振动质量6主要包括旋转对称的平板7，并且振动质量6的重心明显位于弹性薄膜5的平面之外。弹性薄膜5在其边缘区域中与绝缘层2连接，因而同时牢固地与基底1连接。绝缘层2中留空的中心区域4同时限定了弹性薄膜5的能够垂直于基底平面或者说薄膜平面偏移的平面区域。在振动质量6的中心区域中具有支脚8，该支脚8从振动质量6的平板7伸出、确定振动质量6的重心到弹性薄膜5的距离、并且同时构成固定装置，振动质量6以该固定装置固定在弹性薄膜5上，更确切地说在弹性薄膜5的可偏移区域中。图1同时表明，在加速度沿着箭头方向作用时，振动质量6出现按照本发明的倾斜，该倾斜导致各电极3a，3c和振动质量6的板7的与各电极对置的平面区域之间的距离变化。
图2示出按照本发明的具有中心支承的弹性薄膜5的加速度传感器的剖视图和俯视图。该传感器平行于晶片平面径向对称地布置，由此以特别有利的方式满足多轴加速度测量的关于对称的几何边界条件。所示的传感器结构可以在无需重大修改的情况下通过常规的表面微机械工艺制造在硅基体上。为了避免过大的钻蚀宽度和不稳定性，在弹性薄膜5的中心区域保留一个支柱9，该支柱9将弹性薄膜5电绝缘地支承在基底1上。弹性薄膜5的能够垂直于基底平面偏移的区域相应地位于保留的支柱9的区域之外并且径向对称地包围由该支柱9确定的固定区域。能够垂直于基底平面偏移的区域的外边界由弹性薄膜5与绝缘层2的连接部构成。在弹性薄膜5上也有一个支脚8，该支脚8从振动质量6的平板7伸出，确定振动质量6到弹性薄膜5的距离，并且同时构成固定装置，振动质量6通过该固定装置固定在弹性薄膜5上。一个径向对称的环形的沟道10垂直于基底平面穿过振动质量6的平板7和支脚8直通到弹性薄膜5。在沟道10的底部，弹性薄膜5具有开口11，这些开口11作为穿孔用于尽可能有效地钻蚀弹性薄膜5。为了保证力求实现的振动质量6自由度，沟道10的内边缘位于保留的支柱9的外边缘之外。同时，沟道10的宽度不会阻碍预期的振动质量6最大倾斜。在支脚8和弹性薄膜5之间的连接区域之外，弹性薄膜5具有另一穿孔区域形式的其它开口12，弹性薄膜通过该另一穿孔区域与绝缘层2连接。由于环形沟道10的原因，平板7通过支脚8在弹性薄膜5上形成环形连接，其中，保留的支脚8的环窄到足以保证弹性薄膜5的所需钻蚀，因为在支脚8和弹性薄膜5之间的接触区域中无法实现用于蚀透的隔膜穿孔。另一方面，支脚8厚到足以通过支脚8的刚性来保证振动质量6只因弹性薄膜5的变形才会偏移(倾斜)。为了通过弹性薄膜5的位于支脚8内部的、在沟道10底部上的区域确定振动质量6的活动悬挂的刚性，该区域被构造成与位于支脚8外部的弹性薄膜5相比明显更加刚性。因为环形沟道10可以被非常准确地结构化，所以通过该方式得到传感器装置的能可靠定义的弹性特性。在相应的俯视图中示出了电极3a，3b，3c，3d的平面和弹性薄膜5的平面，这些平面在处理工艺上被构造在所谓的埋置多晶硅的平面中。此外示出两条对称轴线13，14，它们平行于检测方向x和y延伸并且相交于薄膜5的中心点。振动质量6的电连接同样通过可弹性偏移的薄膜5实现，该薄膜5在其边缘区域过渡到印制导线15，这些印制导线15从电极3a，3b，3c，3d之间穿过。在该视图中可清楚地看到弹性薄膜5的两个穿孔区域的开口11，12。以虚线示出了其下面是支柱9和绝缘层2的区域的边界，这些边界同时标出了薄膜5能在其中偏移的区域的边界。
图3a示出按照本发明的电极装置的示例性电路图。原理上可以实现具有圆形的、矩形的或正方形的振动质量和在几何形状上与之相似的电极装置的实施方式，其中，按照本发明的传感器也可以被用作一维加速度传感器。但是，径向对称的电极装置能得到特别高的对称度，由此得到对使用地点的特别高的方向无关性。在图3a和3b中示出两种与此有关的电极装置，它们分别由四个相同大小的单个电极3a，3b，3c，3d组成。这些电极3a，3b，3c，3d每个都以几乎90°的角度围绕电极装置的对称中心。这些电极3a，3b，3c，3d通过星形延伸的分隔区域相互绝缘。这两种布置的不同在于：星形分隔区域相对于待检测加速度的分量(通过程式坐标系示出)的定向不同，该定向最终通过各自使用的分析电路和分析算法的要求确定。对于通过单个电极3a，3b，3c，3d与振动质量共同作用地构成的电容的电容式读取而言，这两种布置是适合的：在这些布置中星形延伸的分隔区域要么相对于待测量的加速度分量错置45°要么平行于这些分量延伸。在第一种情况下，通过分别分析计算两个对置的电容来确定加速度分量，由此实现对各个方向的分析计算。在本例中，借助于商数(C3a-C3c)/(C3a+C3c)作为出现的加速度的尺度确定X方向的加速度并且相应地借助于商数(C3b-C3d)/(C3b+C3d)确定Y方向的加速度。通过集成的分析和放大电路16，17在相应地放大信号之后实现相应商数的分析。在电极3a，3b，3c，3d之间的星形分隔区域按照图3b平行于加速度分量延伸的情况下，每次必需考虑所有四个电容以确定加速度分量，这在必要时通过对各个量的错时分析并且借助于用于X方向的加速度的商数((C3a+C3b)-(C3c+C3d))/(C3a+C3b+C3c+C3d)并且借助于用于Y方向的加速度的商数((C3b+C3c)-(C3d+C3a))/(C3a+C3b+C3c+C3d)实现。在此，虚线表示的电路变型必须相对于以实线印制导线表示的电路变型在时间上错置地实现。
图4示出按照本发明的具有基准电极18a至18d的电极装置3a，3b，3c，3d的示例性电路图。在分析所有四个电容时，借助于基准电容附加地得到如下可能性：确定垂直于基底平面出现的加速度。在此，在振动质量6处于静止位置时的所有电容之和可以用作基准电容Cref(Cref＝C3a，0+C3b，0+C3c，0+C3d，0)，其中，借助于多项式C3a+C3b+C3c+C3d Cref实现待测量的第三加速度分量的分析。在使用单独的基准电极18a至18d的情况下，在改善分析质量的同时降低用于分析和确定垂直于基底平面的加速度分量的电路技术上的费用。但是这要牺牲因采用按照本发明的具有单个振动质量6的传感器而赢得的一部分空间，因为基准电极18a至18d虽然在几何形状上与电极装置3a，3b，3c，3d一致地构造，但是必须侧向错置地设置在振动质量6区域之外并且与刚性基准面相对置。分析仍然通过相应的分析和放大电路19实现。
Claims (10)
1.一种微机械加速度传感器，其包括基底(1)、平行于基底平面延伸的弹性薄膜(5)和振动质量(6)，弹性薄膜(5)部分地与基底连接并且具有能够垂直于基底平面偏移的平面区域，振动质量(6)的重心位于弹性薄膜(5)平面之外，其中，振动质量(6)隔开距离地在基底区域上方延伸，这些基底区域位于弹性薄膜(5)区域之外并且具有由多个电极(3a，3b，3c，3d)组成的装置，这些电极(3a，3b，3c，3d)分别与振动质量(6)的对置区域在电路技术上构成电容器，并且振动质量(6)在其中心区域在弹性薄膜(5)的能够垂直于基底平面偏移的平面区域中固定在弹性薄膜(5)上。
2.如权利要求1所述的微机械加速度传感器，其特征在于，振动质量(6)和在电极(3a，3b，3c，3d)和振动质量(6)的对置区域之间的重叠区域具有至少两条平行于基底平面的沿检测方向(x，y)的对称轴线(13，14)。
3.如权利要求1或2所述的微机械加速度传感器，其特征在于，电极(3a，3b，3c，3d)径向对称地围绕振动质量(6)的固定区域设置。
4.如权利要求1至3中任一项所述的微机械加速度传感器，其特征在于，弹性薄膜(5)的能够垂直于基底平面偏移的平面区域、在其中振动质量(6)固定在弹性薄膜(5)上的平面区域、振动质量(6)和电极装置分别具有至少两个平行于基底平面的沿检测方向(x，y)的对称轴线，其中，这些对称轴线的交点垂直于基底平面上下叠置。
5.如权利要求1至4中任一项所述的微机械加速度传感器，其特征在于，四个电极(3a，3b，3c，3d)在弹性薄膜(5)之外设置在基底(1)上。
6.如权利要求5所述的微机械加速度传感器，其特征在于，四个电极(3a，3b，3c，3d)径向对称地设置。
7.如权利要求1至6中任一项所述的微机械加速度传感器，其特征在于，振动质量(6)包括平行于基底(1)延伸的平板(7)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的微机械加速度传感器，其特征在于，弹性薄膜(5)在中心区域中与基底(1)连接，并且弹性薄膜(5)的能够垂直于基底平面偏移的平面区域、在其中振动质量(6)固定在弹性薄膜(5)上的平面区域和振动质量(6)的平行于基底(1)延伸的平板(7)都径向对称地围绕该中心区域设置，弹性薄膜(5)在该中心区域中与基底(1)连接。
9.如权利要求1至8中任一项所述的微机械加速度传感器，其特征在于，振动质量(6)在其中心区域中具有环形的沟道(10)，该沟道(10)通到弹性薄膜(5)的穿孔区域。
10.如权利要求1至9中任一项所述的微机械加速度传感器，其特征在于，基准电极(18a，18b，18c，18d)在几何形状上与电极装置(3a，3b，3c，3d)一致地构造并且侧向错置地设置在振动质量(6)区域之外。
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