CN101628704B - 微机械式传感器元件及其制造方法和运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种微机械式传感器元件以及制造微机械式传感器元件的方法和运行微机械式传感器元件的方法，该微机械式传感器具有基底和悬挂在该基底上的第一振动质量，该第一振动质量能够通过垂直于主延伸平面作用的加速度而从第一静止位置偏转出来，其中，该微机械式传感器元件具有第二振动质量，该第二振动质量能够通过所述加速度而从第二静止位置偏转出来，其中，第一振动质量与第二振动质量被设置成垂直于主延伸平面至少部分地重叠。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有基底和悬挂在该基底上的第一振动质量的微机械式传感器元件，以及制造微机械式传感器元件的方法和运行微机械式传感器元件的方法。
背景技术
这样的微机械式传感器元件已广为人知。例如，专利文献DE 100 00 368A1公开了一种具有基底和振动质量的加速度传感器，该基底具有锚定装置，振动质量通过弯曲弹簧装置与锚定装置连接，使得振动质量能够从其静止位置弹性地偏转出来。振动质量还被构造成摆动结构，其通过位于其下的电极区域来检测z方向上的加速度。
发明内容
与现有技术相比，根据本发明的微机械式传感器元件、根据本发明的用于制造微机械式传感器元件的方法和根据本发明的用于运行微机械式传感器元件的方法具有如下优点：一方面，垂直于主延伸平面的加速度的检测从可能的基底挠曲解耦，另一方面，在平行于主延伸平面的检测面相同的情况下，微机械式传感器元件的检测灵敏度明显提高。替代地，在检测灵敏度基本相同的情况下，根据本发明的传感器元件能够使检测面积减少或者说减半。所列举的优点通过如下方式实现：在微机械式传感器元件垂直于主延伸平面加速时，不仅产生第一振动质量从第一静止位置的第一偏转，而且同时也产生第二振动质量从第二静止位置的第二偏转，其中，尤其是第一振动质量的转动惯量不同于第二振动质量的转动惯量，使得优选第一偏转和第二偏转反相地进行。因此，第一振动质量和第二振动质量之间的垂直于主延伸平面的距离既通过第一偏转又通过第二偏转明显更强烈地改变，使得与在现有技术中所述的那样仅仅从一侧出发实现的距离变化(仅仅是振动质量相对于固定基底运动)相比，检测灵敏度明显提高，并且由于第一振动质量和第二振动质量至少部分地重叠，故平行于主延伸平面的检测面积不会增大或者仅仅稍微增大。与在现有技术中所述的检测振动质量和基底之间的距离变化不同，通过直接检测第一振动质量和第二振动质量之间的距离变化，使得加速度的测量与由制造产生的垂直于主延伸平面的基底挠曲无关，该基底挠曲会降低测量的精度。基底、第一振动质量和/或第二振动质量优选包括半导体材料并且尤其优选包括硅。
本发明的有利设计方案和扩展方案从下面的以及借助附图的描述中得出。
根据一种优选的扩展方案规定，第一振动质量借助第一耦合装置基本上可绕第一旋转轴线转动地直接或间接固定在基底上，并且第二振动质量借助第二耦合装置基本上可绕第二旋转轴线转动地直接或间接固定在基底上，其中，第一旋转轴线和第二旋转轴线相互平行地设置和/或垂直于主延伸平面基本上重合地设置。
因此，尤其有利的是，加速度产生第一振动质量相对于基底和相对于第二振动质量绕第一旋转轴线的第一倾斜或者说第一转动，并且产生第二振动质量相对于基底和相对于第一振动质量绕第二旋转轴线的第二倾斜或者说第二转动。
根据另一种特别优选的扩展方案规定，第一振动质量具有第一质量对称轴线并且第二振动质量具有第二质量对称轴线，其中，优选地是，第一质量对称轴线和第二质量对称轴线基本上平行于第一旋转轴线和第二旋转轴线定向，尤其优选的是，第一质量对称轴线平行于主延伸平面与第二质量对称轴线间隔距离地设置。在本发明意义上，质量对称轴线尤其包括一轴线，该轴线连接一振动质量的相对于该振动质量的相应旋转轴线的、平行于旋转轴线相互对齐的质心。话句话说，振动质量的质量对称轴线尤其包括平行于相应旋转轴线的质心轴线。尤其有利的是，第一质量对称轴线和第二质量对称轴线平行于主延伸平面相互间隔开，使得关于加速度的第一转动惯量和第二转动惯量不同，因此由该加速度引起的第一偏转和第二偏转也不同。尤其地，第一质量对称轴线平行于主延伸平面设置在第一和第二旋转轴线的第一侧上，并且第二质量对称轴线平行于主延伸平面设置在第一和第二旋转轴线的与第一侧相对的第二侧上，使得加速度产生反相的第一偏转和第二偏转。在本发明的意义上，反相的第一偏转和第二偏转优选地表示，第一偏转包括第一振动质量绕第一旋转轴线的第一转动，该第一转动与第二偏转中第二振动质量绕第二旋转轴线的第二转动是相反的。因此，在加速的情况下，第一振动质量和第二振动质量之间的距离以有利的方式既通过第一偏转又通过第二偏转同时地改变，从而距离变化的变化率显著增加，由此显著提高检测灵敏度。
根据另一种特别优选的扩展方案规定，第一耦合元件和第二耦合元件垂直于主延伸平面重合地设置并且优选地包括具有可逆弹性的弹簧元件，并且尤其优选地包括扭转弹簧元件和/或弯曲弹簧元件，从而能够以有利方式实现第一振动质量和第二振动质量相对于基底的第一偏转和第二偏转。
根据另一种特别优选的扩展方案规定，第一耦合元件直接地固定在基底上和/或第二耦合元件直接地固定在第一耦合元件、基底和/或第一振动质量上。尤其有利的是，第二振动质量通过第二耦合元件固定在第一振动质量上，使得第二振动质量只是间接地固定在基底上并且可以省去第二耦合元件在基底上的直接接合，其中，第一和第二振动质量以及第一和第二耦合元件尤其可以作为一个整体结构特别成本有利地、共同地制造在基底上。
根据另一种特别优选的扩展方案规定，第一振动质量具有一个第一电极和尤其是另一个第一电极，并且第二振动质量具有一个第二电极和尤其是另一个第二电极，其中，第一电极与第二电极被设置成垂直于主延伸平面重叠，并且尤其是另一个第一电极与另一个第二电极被设置成垂直于主延伸平面重叠。尤其有利的是，第一振动质量和第二振动质量之间的距离的测量能够通过第一电极和第二电极和/或另一个第一电极和另一个第二电极以特别简单的方式实现，其中，优选借助一电容检测装置测量第一电极和第二电极之间的第一电容和/或另一个第一电极和另一个第二电极之间的第二电容。
根据另一种特别优选的扩展方案规定，第一质量对称轴线和/或第一旋转轴线被设置成在第一电极和另一个第一电极之间延伸，第二质量对称轴线和/或第二旋转轴线被设置成在第二电极和另一个第二电极之间延伸。因此，特别有利的是，第一振动质量和第二振动质量之间的由第一和第二偏转引起的距离变化既在第一和第二旋转轴线的第一侧又在第二侧上平行于主延伸平面测量，从而例如借助第一电容的相应减小和第二电容的相应增大，能够相对精确地检测由反相的第一和第二偏转导致的第一侧的距离增加和第二侧的距离减小。
根据另一种特别优选的扩展方案规定，第一振动质量的质量和第二振动质量的质量不同，使得不向的第一转动惯量和第二转动惯量尤其是不仅能够通过第一振动质量和第二振动质量的非对称悬挂产生，而且也能够有利地通过第一振动质量的质量和第二振动质量的质量之间的质量非对称性产生。
根据另一种特别优选的扩展方案规定，第一振动质量和第二振动质量被集成在一个壳体内，其中，该壳体尤其具有一个盖。因此尤其有利的是，第一振动质量、第二振动质量和/或电极不受外界环境影响。特别有利的是，在壳体中尤其是借助相应的内部介质调节明确定义的内压，以便获得第一振动质量和第二振动质量的期望的偏转特性。
本发明的另一个主题是一种用于制造微机械式传感器元件的方法，其中，在第一制造步骤中提供与第一振动质量一起的基底，其中在第二制造步骤中提供悬挂在另一个基底上的第二振动质量并且在接下来的第三制造步骤中将该另一个基底如此地设置在所述基底上，使得第一振动质量与第二振动质量垂直于主延伸平面至少部分地重叠。因此有利的是，根据本发明的传感器元件能够在仅仅三个成本上可相对有利地实施的制造步骤中以相对简单的方式制造。这尤其是通过如下方式实现：第一制造步骤和第二制造步骤包括用于制造根据现有技术的两个标准传感器元件的众所周知的标准制造步骤。
本发明的另一个主题是一种用于运行微机械式传感器元件的方法，其中，通过测量第一电极和第二电极之间的第一电容的变化和/或另一个第一电极和另一个第二电极之间的第二电容的变化来确定微机械式传感器元件的加速度。特别有利的是，与现有技术相比，根据本发明的用于运行微机械式传感器元件的方法能够在测量面积相同情况下实现更高的检测灵敏度，因为第一电极或者说另一个第一电极以及第二电极或者说另一个第二电极由于加速度而进行偏转运动，由此增加了第一电容的变化或者说第二电容的变化。此外，消除了由基底挠曲导致测量精度下降这一缺点。
根据另一种特别优选的扩展方案规定，第一电容的变化被转换成第一电压信号并且第二电容的变化被转换成第二电压信号，并且第一电压信号和第二电压信号之间的差被转换成差动信号。因此特别有利的是，由微机械式传感器元件给出与微机械式传感器元件的加速度有关的差动信号，该差动信号优选输送给电气分析电路或者说电子分析电路。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中更详细地阐述。
附图中：
图1示出根据现有技术的一种微机械式传感器元件的示意性侧视图；
图2示出根据本发明的一种示例性实施方式的微机械式传感器元件的示意性侧视图；和
图3示出用于运行根据本发明的示例性实施方式的微机械式传感器元件的方法的示意图。
具体实施方式
在图1中示出根据现有技术的一种微机械式传感器元件1的示意性侧视图，其中，该微机械式传感器元件1具有基底2和第一振动质量10，基底2为具有盖2”的壳体2’的形式，其中，第一振动质量10借助第一耦合装置11非对称地如此悬挂在基底2上，使得在微机械式传感器元件1的加速度101垂直于基底2的主延伸平面100的情况下，第一振动质量10经受第一转动惯量，并且因此实施第一偏转，该第一偏转是绕平行于主延伸平面100定向的第一旋转轴线12的第一转动104形式。振动质量10具有第一质量对称轴线13，该第一质量对称轴线13平行于第一旋转轴线12设置并且其连接就第一振动质量10的垂直于第一旋转轴线12且平行于主延伸平面100的质量分布而言的、平行于第一旋转轴线12相互对齐的质心。第一质量对称轴线13平行于主延伸平面100与第一旋转轴线12间隔开，使得加速度101产生第一转动惯量并且由此产生第一转动104。通过借助未示出的电容检测装置来检测振动质量10和基底2之间的在振动质量10的第一侧102的第一电容3以及检测振动质量10和基底2之间的在振动质量10的第二侧103的第二电容3’，检测出第一转动104。
在图2中示出根据本发明的一种示例性实施方式的微机械式传感器元件1的示意性侧视图，其中，根据本发明的示例性实施方式的微机械式传感器元件1与图1中所示的根据现有技术的微机械式传感器元件相似，其中，该微机械式传感器元件1具有第二振动质量20，该第二振动质量20基本上平行于第一振动质量10设置在第一振动质量10和基底2之间并且借助一第二耦合装置21非对称地且可动地悬挂或者说固定在基底2上。第一振动质量10借助第一耦合装置11悬挂或者说固定在第二振动质量20上并且仅仅间接地通过第二振动质量20和第二耦合装置21与基底2连接。第二振动质量20如此非对称地悬挂，使得垂直于主延伸平面100的加速度101产生第二偏转，该第二偏转是由第二转动惯量引起的第二振动质量20绕第二旋转轴线22的第二转动105的形式，其中第二旋转轴线22平行于第一旋转轴线12定向并且尤其是垂直于主延伸平面100与第一旋转轴线12重合地设置。第二振动质量20具有第二质量对称轴线23，该第二质量对称轴线平行于主延伸平面100与第二旋转轴线22和第一质量对称轴线13间隔开。尤其是，第一质量对称轴线13设置在关于第一和第二旋转轴线12、22的第一侧102，并且第二质量对称轴线23设置在关于第一和第二旋转轴线12、22并且平行于主延伸平面100与第一侧102对置的第二侧103，使得加速度101产生相反的第一转动104和第二转动105。这通过非对称的悬挂和/或通过各个振动质量10、20关于相应旋转轴线12、22的非对称质量分布产生，其中，所述非对称的悬挂或者说质量分布优选通过各个振动质量10、20平行于主延伸平面100的能够可变地选择的延伸尺寸产生。第一转动104和第二转动105导致第一振动质量10和第二振动质量20之间的在第一侧102和第二侧103相反的距离变化。这通过测量在第一振动质量10上并且在第一侧102的第一电极14和在第二振动质量20上且在第一侧102的第二电极24之间的第一电容3来检测，该第二电极24垂直于主延伸平面100与第一电极14至少部分地重叠。同时测量在第一振动质量10上并且在第二侧103的另一个第一电极14’和在第二振动质量20上且在第二侧103的另一个第二电极24’之间的第二电容3’，该另一个第二电极24’垂直于主延伸平面100与另一个第一电极14’至少部分地重叠。第一转动104和第二转动105导致第一电容3和第二电容3’的变化，相应的变化被转换成第一电压信号4和第二电压信号4’和/或共同的差动信号5。
在图3中示出用于运行根据本发明的示例性实施方式的微机械式传感器元件1的方法的示意图，其中，第一电极14和第二电极24表示为具有第一电容3的第一电容器，并且另一个第一电极14’和另一个第二电极24’表示为具有第二电容3’的第二电容器。第一电极14借助第一印刷导线200与第一电容-电压转换器201连接，而另一个第一电极14’借助第二印刷导线202与第二电容-电压转换器203连接。第二电极24和另一个第二电极24’共同通过第三印刷导线204既与第一电容-电压转换器201又与第二电容-电压转换器203连接。第一电容-电压转换器201产生与第一电容3的变化成比例的第一电压信号4，并且第二电容-电压转换器203产生与第二电容3’的变化成比例的第二电压信号4’。第一电压信号4和第二电压信号4’借助差动放大器205转换成与加速度101成比例的差动信号5。
Claims (18)
1.一种微机械式传感器元件（1），其具有基底（2）和悬挂在该基底（2）上的第一振动质量（10），该第一振动质量（10）能够通过垂直于主延伸平面（100）作用的加速度从第一静止位置偏转出来，其特征在于，该微机械式传感器元件（1）具有第二振动质量（20），该第二振动质量（20）能够通过所述加速度而从第二静止位置偏转出来，其中，第一振动质量（10）与第二振动质量（20）被设置成垂直于主延伸平面（100）至少部分地重叠，其中，第一振动质量的第一转动惯量不同于第二振动质量的第二转动惯量，使得第一偏转和第二偏转反相地进行。
2.如权利要求1所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一振动质量（10）借助第一耦合元件（11）基本上可绕第一旋转轴线（12）转动地直接或间接悬挂在基底（2）上，并且第二振动质量（20）借助第二耦合元件（21）基本上可绕第二旋转轴线（22）转动地直接或间接固定在基底（2）上，其中，第一旋转轴线（12）和第二旋转轴线（22）相互平行地设置和/或垂直于主延伸平面（100）基本上重合地设置。
3.如权利要求2所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一振动质量（10）具有第一质量对称轴线（13）并且第二振动质量（20）具有第二质量对称轴线（23），其中，第一质量对称轴线（13）和第二质量对称轴线（23）基本上平行于第一旋转轴线（12）和第二旋转轴线（22）定向。
4.如权利要求2或3所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一耦合元件（11）和第二耦合元件（21）垂直于主延伸平面（100）重合地设置。
5.如权利要求2或3所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一耦合元件（11）直接地固定在基底（2）上和/或第二耦合元件（21）直接地固定在第一耦合元件（11）、基底（2）和/或第一振动质量（10）上。
6.如权利要求1或2所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一振动质量（10）具有一个第一电极（14），并且第二振动质量（20）具有一个第二电极（24），其中，第一电极（14）与第二电极（24）被设置成垂直于主延伸平面（100）重叠。
7.如权利要求6所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一振动质量（10）具有另一个第一电极（14’），并且第二振动质量（20）具有另一个第二电极（24’），其中，另一个第一电极（14’）与另一个第二电极（24’）被设置成垂直于主延伸平面（100）重叠。
8.如权利要求3所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一振动质量（10）具有一个第一电极（14），并且第二振动质量（20）具有一个第二电极（24），其中，第一电极（14）与第二电极（24）被设置成垂直于主延伸平面（100）重叠。
9.如权利要求8所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一振动质量（10）具有另一个第一电极（14’），并且第二振动质量（20）具有另一个第二电极（24’），其中，另一个第一电极（14’）与另一个第二电极（24’）被设置成垂直于主延伸平面（100）重叠。
10.如权利要求9所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一质量对称轴线（13）和/或第一旋转轴线（12）被设置成在第一电极（14）和另一个第一电极（14’）之间延伸，第二质量对称轴线（23）和/或第二旋转轴线（22）被设置成在第二电极（24）和另一个第二电极（24’）之间延伸。
11.如权利要求1至3中任一项所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一振动质量（10）的质量和第二振动质量（20）的质量不同。
12.如权利要求1至3中任一项所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一振动质量（10）和第二振动质量（20）被集成在一个壳体（2’）内。
13.如权利要求3所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一质量对称轴线（13）平行于主延伸平面（100）与第二质量对称轴线（23）间隔开距离地设置。
14.如权利要求4所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，第一耦合元件（11）和第二耦合元件（21）包括扭转弹簧元件和/或弯曲弹簧元件。
15.如权利要求12所述的微机械式传感器元件（1），其特征在于，该壳体（2’）具有一个盖（2’’）。
16.一种用于制造如前述权利要求中任一项所述的微机械式传感器元件（1）的方法，其特征在于，在第一制造步骤中提供与第一振动质量（10）一起的基底（2），其中在第二制造步骤中提供悬挂在另一个基底上的第二振动质量（20）并且在接下来的第三制造步骤中将该另一个基底如此地设置在所述基底（2）上，使得第一振动质量（10）与第二振动质量（20）垂直于主延伸平面（100）至少部分地重叠。
17.一种用于运行如权利要求1至15中任一项所述的微机械式传感器元件（1）的方法，其特征在于，通过测量第一电极（14）和第二电极（24）之间的第一电容（3）的变化和/或另一个第一电极（14’）和另一个第二电极（24’）之间的第二电容（3’）的变化来确定微机械式传感器元件（1）的加速度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，第一电容（3）的变化被转换成第一电压信号（4）并且第二电容（3’）的变化被转换成第二电压信号（4’），第一电压信号（4）和第二电压信号（4’）之间的差被转换成差动信号（5）。
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