CN102798733A - 惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性传感器（201），其具有衬底（203）和摆杆（207），所述摆杆借助弹簧装置（205）与所述衬底（203）连接，其中，所述弹簧装置（205）具有至少两个用于将所述摆杆（207）悬挂在所述衬底（203）上的弹簧（209a，209b），其中，这两个弹簧（209a，209b）以它们的纵向轴线（211a，211b）为参照相互错开地设置。

Description

惯性传感器

技术领域

本发明涉及一种惯性传感器、尤其是具有平行弹簧的惯性传感器。

背景技术

这样的惯性传感器是已知的。它们通常包括一个经穿孔的可运动的衬底，该衬底借助两个扭转弹簧与衬底连接。在此，两个扭转弹簧以它们的纵向轴线为参照共线地设置。即尤其是两个纵向轴线沿着一个共同的线延伸。

在惯性传感器相对于衬底平面竖直偏移时，在弹簧中产生显著的机械应力。在此，具有较短弹簧长度的弹簧比具有较长的弹簧长度的弹簧具有更大的机械应力。

也希望的是，为了在相同的弹簧宽度时减少机械应力，使弹簧长度最大化。但是，由于扭转弹簧的共线布置，这一点仅能受限地实现，因为在弹簧的纵向端部上摆杆作为限界元件作用，其中，在弹簧的另一个端部上第二弹簧或衬底连接装置作为限界元件作用。

发明内容

因此，本发明的任务可以在于，提供一种惯性传感器，其中弹簧中的机械应力在竖直过载时被减小。

该任务借助独立权利要求的主题解决。有利的设计方案是各个从属权利要求的主题。

根据一个方面提供一种惯性传感器，其具有衬底和摆杆。在此，摆杆借助弹簧装置与衬底连接。弹簧装置包括至少两个弹簧，这些弹簧将摆杆悬挂在衬底上。摆杆就此而言悬挂在衬底上。在此，两个弹簧以他们的纵向轴线为参照相互错开地设置。

在本发明的意义上，纵向轴线是弹簧的轴线，该轴线相应于它们的最大膨胀尺寸的方向。在本发明的意义上，纵向端部表示以纵向轴线为参照的弹簧端部。竖直以衬底平面为参照定义。为了更清楚，如下地定义x、y、z坐标系。x和y轴位于衬底平面中。z轴垂直于衬底平面延伸。共线尤其是意味着在一个共同的线上延伸。

两个弹簧以它们的纵向轴线为参照相互错开地设置，由此它们不再作为相互限界的元件作用并且由此能够至少在一个方向上延长，而它们不会相互碰撞或解除。由此能够与现有技术相比增大弹簧长度，当弹簧竖直偏移时，这以有利的方式导致弹簧中的机械应力较小。也就是说，按本发明的惯性传感器以有利的方式经受住在竖直方向上的较大的机械加速力。

根据一种优选的实施方式，惯性传感器构成为微机械的惯性传感器。微机械的惯性传感器尤其是借助相应的微机械的制造方法例如蚀刻和/或平版印刷方法和/或电流方法和/或光刻方法构成。优选地，衬底是硅晶片。

按照一种优选的实施方式，惯性传感器构成为加速度传感器。

根据另一种实施方式，摆杆构成为经穿孔的摆杆。在本发明的意义中，经穿孔尤其是意味着摆杆具有至少一个孔，流体能够流动或流过该孔。流体可以例如是蚀刻流体、尤其是蚀刻气体或蚀刻液体。由于穿孔，流体可以以有利的方式作用位于摆杆下方，即在衬底和摆杆之间的元件上。尤其地，流体作用在衬底本身上。穿孔可以具有多个孔，这些孔优选设置成一个网栅中。

根据另一种实施方式，也可以设置超过两个弹簧。例如，可以设置四个弹簧。由此引起特别稳定但又弹性的悬挂。这些弹簧共同地优选构成为扭转弹簧。尤其地，这些弹簧构成板式弹簧。这些弹簧可以例如相同地或不同地构成。

在另一种实施方式中，弹簧装置具有至少一个与衬底连接的悬挂块，至少一个弹簧固定在该悬挂块上。弹簧可以优选也与悬挂块连接。尤其地，弹簧的一个纵向端部固定在或连接在悬挂块上。弹簧的另一个纵向端部优选固定或连接在摆杆上。尤其地，在悬挂块上也可以固定或连接两个或多于两个弹簧。例如也可以构成多个悬挂块、尤其是三个或四个悬挂块。悬挂块优选与衬底一体地构成。悬挂块可以例如相对于弹簧的纵向轴线相互错开地设置。因此，弹簧的长度以有利的方式仅由悬挂块-摆杆距离、即尤其是由悬挂块-摆杆距离的长度限制并且不附加地通过另一个悬挂块限制。在偶数数量的悬挂块时，它们可以优选成对并排地设置。在四个悬挂块时，两对可以优选点对称地构成。在奇数数量的悬挂块时，它们例如可以轴线对称地设置，其中，对称轴线平行于弹簧的纵向轴线延伸。

悬挂块上的其上固定弹簧或与弹簧连接的区域也可以称为弹簧连接装置。悬挂块上的与衬底连接的区域也可以称为衬底连接装置。衬底可以尤其是也称为陆地，使得衬底连接装置也可以称为陆地连接装置。

根据另一种实施方式，这些弹簧至少部分搭接地并排地设置。优选地，弹簧平行并排地设置。相应的惯性传感器也可以称为具有平行弹簧的惯性传感器。在偶数数量的弹簧时，它们也可以成对并排地平行延伸地设置。这些弹簧对也可以称为交叉的双弹簧。因此能够以有利的方式引起显著高的扭转刚度，因为这些弹簧同样在z方向上承受弯曲，而不是仅承受扭转。尤其地借助对两个双弹簧相互之间和/或与摆杆的旋转轴线的距离的相应匹配能够以有利的方式引起改变的扭转刚度，而不改变其它的几何参数。

根据另一种实施方式，摆杆以所述摆杆的一个借助所述弹簧的纵向轴线限定的在摆杆平面中构成的旋转轴线为参照非对称地悬挂在所述衬底上。在垂直于衬底平面偏移时，该非对称的悬挂以有利的方式引起摆杆的倾斜。摆杆的质量分布尤其是相对于旋转轴线是非对称的。

根据另一个实施方式，在衬底上与摆杆相对置地设置至少一个电极，所述电极与摆杆构成一个用于电容地检测摆杆偏移的电容器。

在另一种实施方式中，在衬底上设置至少两个电极，其中，这些电极与摆杆相对置地设置。每个电极与摆杆成形一个电容器，使得两个电极与摆杆一起形成一个差动式电容器。这样的差动式电容器以有利的方式具有特别线性的特性。摆杆尤其可以位于电势CM上并且尤其是两个电极可以位于电势C1或电势C2上。在摆杆偏移时，电容器中的相应的电容量改变，使得借助对电容器的相应分析处理能够检测摆杆的偏移，由此以有利的方式能够求出施加在摆杆上的加速度。电极也可以称为检测电极。优选地，设置检测电极，它们能够检测x、y平面中在x和/或y方向上的加速度。电极优选构成为条形的电极或条状电极。

根据另一种实施方式也可以构成多于两个电极，尤其是可以构成三个、优选四个、特别是五个、例如六个电极。由此能够执行特别灵敏的电容测量。

根据另一种实施方式，构成用于限制摆杆偏移的止挡。止挡以有利的方式引起：摆杆偏移被这样地限制，使得弹簧装置的机械应力位于预先确定的值之下，该预先确定的值等于惯性传感器或弹簧装置可能损坏的值。尤其地，止挡限制平行于衬底延伸的摆杆偏移。例如也可以构成多个止挡。

根据另一种实施方式，摆杆具有一个空槽，弹簧装置设置在该空槽中。在此尤其是空槽的对称中心不同于摆杆的对称中心，使得由此以有利的方式能够实现非对称的悬挂。

在另一种实施方式中，惯性传感器构成为多通道的惯性传感器、尤其是多通道的加速度传感器。

附图说明

本发明在下面根据优选实施例参照附图详细阐述。在此示出：

图1示出已知的惯性传感器的俯视图；

图2示出按本发明的惯性传感器的示意视图；

图3示出另一个按本发明的惯性传感器的俯视图；

图4示出按本发明的惯性传感器的侧视图；

图5示出另一个按本发明的惯性传感器的俯视图；

图6示出图5的惯性传感器的一部分的放大视图；

图7示出图6的惯性传感器的一部分的放大视图；

图8示出另一个按本发明的惯性传感器的俯视图；

图9示出图8的惯性传感器的一部分的放大视图；

图10示出图9的惯性传感器的一部分的放大视图；

图11示出具有和不具有能量优化止挡的按本发明的惯性传感器的一部分的相应俯视图；

图12示出另一个按本发明的惯性传感器的俯视图；

图13示出另一个按本发明的惯性传感器的俯视图；

图14示出另一个按本发明的惯性传感器的俯视图；

图15示出另一个按本发明的惯性传感器的俯视图；和

图16示出具有检测电极的图15的惯性传感器。

在下面对于相同的特征使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的惯性传感器101的俯视图。惯性传感器101包括四角形的衬底103，在该衬底上构成一个用于两个弹簧107、109的弹簧悬挂块105。与衬底103平行地构成一个经穿孔的摆杆111，该摆杆具有空槽113。弹簧悬挂块105和两个弹簧107和109设置在空槽113中。在此，两个弹簧107、109以它们的纵向轴线为参照共线地设置。即尤其是两个纵向轴线在一个共同的线上延伸。弹簧107以其第一端部107a固定在弹簧悬挂块105上。弹簧107的另一个纵向端部107b与摆杆11连接。类似地，弹簧109也具有第一纵向端部109a，该第一端部固定在弹簧悬挂块105上。弹簧109的第二纵向端部109b与摆杆111连接。

通过附图标记115还标出两个机械止挡，它们可以限制摆杆111的侧向偏移，即尤其是在x、y平面中的偏移。

因为由于两个弹簧107、109的共线布置，两个纵向端部107a、109a在弹簧107、109的可能的延长上相互阻碍，所以两个弹簧107、109的各自的长度通过在弹簧悬挂块105与第二纵向端部107b和109b在摆杆111上的固定区域之间的距离的长度限制。就此而言，在竖直偏移时，即在z方向上偏移时，在弹簧107、109中出现显著的机械应力，这可能导致弹簧断裂，其中，衬底平面位于x、y平面中。

图2示出包括衬底203的按本发明的惯性传感器201。另外，形成弹簧装置205，该弹簧装置将衬底203与摆杆207连接。弹簧装置205具有两个弹簧209a、209b。弹簧209a、209b的各自的纵向轴线通过附图标记211a、211b表示。如明显可看出的那样，两个弹簧209a、209b以其纵向轴线211a、211b为参照相互错开地设置。由此以有利的方式实现：两个弹簧209a、209b在纵向上不再相互阻碍，由此能够以有利的方式相对于现有技术实现在弹簧209a、209b的纵向上的较大的延长。因此，可以显著减少在弹簧209a、209b竖直偏移时弹簧209a、209b中的机械应力。竖直在此尤其是意味着垂直于纵向轴线211a、211b。在竖直过载时，机械应力以有利的方式被限制，这避免了弹簧断裂。

在一种未示出的实施方式中，也可以设置多于两个弹簧。在另一种未示出的实施方式中，惯性传感器构成为微机械的惯性传感器。优选地，在另一种未示出的实施方式中，惯性传感器构造为加速度传感器、尤其是微机械的加速度传感器。弹簧优选构成为扭转弹簧或板式弹簧。

图3示出包括衬底303的按本发明的另一个惯性传感器301。在衬底303上设有两个悬挂块305、307。另外，构成两个弹簧309和311。与衬底303平行地构成一个经穿孔的摆杆312，摆杆具有空槽314。悬挂块305和307与弹簧309和311设置在空槽314中。空槽314的对称中心不同于摆杆312的对称中心，使得摆杆312具有一个非对称的质量分布。

弹簧309在其一个纵向端部309a上与经穿孔的摆杆312连接。另一个纵向端部309b固定在悬挂块305上。类似地，弹簧311的一个纵向端部311a与摆杆312固定。弹簧311的另一个纵向端部311b固定在悬挂块307上。

如图3明显看到，两个弹簧309和311以其纵向轴线为参照相互错开地设置并且能够选择得比弹簧共线设置时更长，纵向轴线在y方向上延伸。

通过附图标记313还标出两个用于限制摆杆312的偏移的止挡。

图4示出在y方向对按本发明的惯性传感器401的侧视图。因为在图4中示出的视图是侧视图，所以弹簧未被示出。出于清楚的考虑，摆杆312的穿孔也未绘出。摆杆312在z轴的方向上膨胀尺寸以H表示作为高度。附图标记401表示陆地连接装置。附图标记403表示弹簧连接装置。

在衬底303上设有两个电极405、407，使得它们与摆杆312相对置。这两个电极405和407并排地设置在衬底303上，其中，陆地连接装置位于两个电极405和407之间。两个电极407、409分别位于电势C1和C2上。摆杆312位于电势CM上。两个电极407和409和摆杆312就此而言形成差动式电容器。

当惯性传感器401在z方向上、即垂直于衬底平面或摆杆平面加速时，摆杆在z方向上倾斜。差动式电容器的电容量改变，这可以被检测到，使得能够以有利的方式相应地求出加速度。

图5示出包括衬底503和经穿孔的摆杆505的按本发明的另一个惯性传感器501的俯视图，该摆杆具有空槽507。在空槽507中设有两个各具有一个弹簧513和515的悬挂块509和511。弹簧513具有第一纵向端部513a和第二纵向端部513b。类似地，弹簧515具有第一纵向端部515a和第二纵向端部515b。第一纵向端部5153a和515a固定在悬挂块511或悬挂块509上。第二纵向端部513b和515b固定在经穿孔的摆杆505上。附图标记517表示陆地连接装置。通过附图标记519示出两个止挡。弹簧513和515的纵向轴线相互平行地在y方向上延伸，但是在x方向上相对彼此错开地设置。

图6示出图5中的以字母“A”标出的区域的放大视图。

图7示出图6中的以字母“B”标出的区域的放大视图。

图8示出另一个按本发明的惯性传感器801的俯视图。出于清楚的考虑，衬底503没有示出。在图8中通过字母“A”标出的区域在图9中放大地被示出。图9中的通过字母“B”标出的区域在图10中放大地被示出。

图11在左图中示出按本发明的具有两个能量优化止挡1103和1105的惯性传感器1101的部分视图。在图11的右图中示出另一个按本发明的没有这样的能量优化止挡1103和1105的惯性传感器1107的部分视图。出于清楚的考虑，在这两个图中没有绘出衬底。两个能量优化止挡1103和1105设置在悬挂块509或511的在y方向上面向摆杆505的端部区域中并且分别包括多个平行设置的具有高弹簧常数的弹簧1109，使得弹簧1109具有高的刚度。这些弹簧1109可以尤其是具有相同或不同的弹簧常数。

在止挡1103和1105的在y方向上面向摆杆505的端部区域中分别构成梳状形式的接触凸起1111。在接触凸起1111之间的空位中设置另外的接触凸起1113，它们与摆杆505连接。当摆杆505在x、y平面中足够大地偏移时，接触凸起1111和1113相互接触或触碰。它们形成接触区域。摆杆505的进一步偏移被阻止。摆杆505的运动在此借助弹簧1109吸收，使得以有利的方式减少了悬挂块509和511的机械应力。

图12示出按本发明的惯性传感器1201的另一个实施方式的俯视图。惯性传感器1201包括一个具有四角形空槽1205的经穿孔的摆杆1203，其中，空槽1205的对称中心不同于摆杆1203的对称中心。摆杆1203因此具有非对称的质量分布。在空槽1205中构成四个悬挂块1207a、1207b、1207c和1207d，它们与设置在摆杆1203下方的衬底（未示出）连接。在此，悬挂块1207a和1207b以及1207c和1207d相互成对地设置，其中，这两个对在空槽1205中相对于空槽1205的对称中心以点对称的方式设置。

另外各一个弹簧1209、1211、1213和1215通过第一纵向端部1209a、1211a、1213a和1215a固定在悬挂块1207a、、1207b、1207c和1207d上。第二纵向端部1209b、1211b、1213b和1215b固定在摆杆上，其中，弹簧1209、1211、1213和1215在y方向上延伸地平行于四角形空槽1205的两侧构成。

弹簧1209和1211以及弹簧1213和1215尤其是形成两个交叉的双弹簧。

图13示出按本发明的惯性传感器1301的另一个实施方式的俯视图。与图12的惯性传感器1201不同，在空槽1205中仅设有三个悬挂块1207a、b和c。两个悬挂块1207a和1207b设置在四角形空槽1205的两个角中的上端部上。第三悬挂块1207c中心地设置在空槽1205的下端部上。同样构成四个弹簧1209、1211、1213和1215，这些弹簧类似于图12以它们的两个纵向端部固定在悬挂块或摆杆1203上。在此，各一个弹簧1211和1213以它们各自的纵向端部1211a和1213a固定在悬挂块1207c的两侧上。

在此两个弹簧1209和1211以及弹簧1213和1215也形成两个交叉的双弹簧，但是它们以空槽1205的对称轴线为参照在y方向上轴线对称地相互设置。

两个交叉的双弹簧相互平行地延伸，即它们并排设置，由此能够以有利的方式实现明显提高的扭转刚度，因为弹簧同样在z方向上承受弯曲，而不是仅承受扭转。在此能够实现两个双弹簧的如在图12中所示点对称的且如在图13中所示轴线对称的布置。

通过两个双弹簧相互之间和/或与摆杆1203的旋转轴线的距离的匹配，能够以有利的方式引起扭转刚度，而不改变其它的几何参数。在增大的距离（参见图14）时，其中距离借助两个箭头以附图标记1401表示，弹簧1209、1211、1213和1215在z方向上的必须的弯曲在摆杆1205的扭转角度相同时增加，使得弹簧装置的合成的扭转刚度同样增加。相应地，在两个双弹簧相互之间的距离缩小时，总扭转刚度缩小（参见图15）。X方向上的刚度独立于距离的改变。

这些在图12至15中示出的惯性传感器以有利的方式特别适合于传感器、尤其是加速度传感器，其除了在z方向上的加速度外也应当检测在x、y平面中的横向加速度（见图16）。通过双弹簧的距离和弹簧本身的几何结构、尤其是弹簧长度和/或弹簧宽度和/或弹簧高度的改变，能够以有利的方式相互独立地匹配在x、y平面中在x方向和/或y方向上的刚度和扭转刚度。

图16示出图15的惯性传感器，其在此构成加速度传感器1600。通过附图标记1601表示电极，这些电极检测在x、y平面中在x方向上的加速度。电极1601可以尤其是也称为X通道检测电极。电极1601相互平行地在y方向上设置在空槽1205中，其中，电极1601对在此尤其是构成电容器。通常X通道检测电极也可以称为横向电极。

通过附图标记1603表示两个用于检测z方向上的加速度的条形检测电极。检测电极1603也可以称为Z通道检测电极。两个检测电极1603类似于图4地设置在衬底上并且与摆杆1203相对置，使得构成一个差动式电容器。当摆杆在z方向上倾斜时，差动式电容器的电容量改变，使得由此能够执行z加速度的确定。

在图16中示出的惯性传感器构成为2通道加速度传感器，因为他能够不仅检测x方向上的而且检测z方向上的加速度。在一种未示出的实施方式中，可以构成另外的横向电极，使得还能够附加地检测y方向上的加速度。在这种情况中，惯性传感器构成为3通道加速度传感器。

综上所述，本发明尤其是提供以下可能性，减少在过载时加速度传感器、尤其是微机械的加速度传感器的扭转弹簧中的机械应力，使得以有利的方式避免弹簧断裂。

Claims (12)

1.惯性传感器（201），其具有衬底（203）和摆杆（207），所述摆杆借助弹簧装置（205）与所述衬底（203）连接，其中，所述弹簧装置（205）具有至少两个用于将所述摆杆（207）悬挂在所述衬底（203）上的弹簧（209a，209b），其特征在于，这两个弹簧（209a，209b）以它们的纵向轴线（211a，211b）为参照相互错开地设置。

2.根据权利要求1的惯性传感器（201），其特征在于，所述弹簧装置（205）具有至少一个与所述衬底（203）连接的悬挂块（305，307），至少一个弹簧（209a，209b）固定在所述悬挂块上。

3.根据权利要求2的惯性传感器（201），其特征在于，构成多个悬挂块（305，307）并且在每个悬挂块（305，307）上固定至少一个弹簧（209a，209b）。

4.根据以上权利要求之一的惯性传感器（201），其特征在于，所述弹簧（209a，209b）至少部分搭接并排地、尤其是平行并排地设置。

5.根据以上权利要求之一的惯性传感器（201），其特征在于，以所述摆杆的一个借助所述弹簧的纵向轴线（211a，211b）限定的在摆杆平面中构成的旋转轴线为参照，所述摆杆（207）非对称地悬挂在所述衬底（203）上。

6.根据以上权利要求之一的惯性传感器（201），其特征在于，至少一个电极与所述摆杆（207）相对置地设置在所述衬底（203）上，该电极与所述摆杆（207）形成一个用于电容地检测所述摆杆（207）的偏移的电容器。

7.根据权利要求6的惯性传感器（201），其特征在于，至少两个电极（407，409）与所述摆杆（207）相对置地设置在所述衬底（203）上以形成差动式电容器。

8.根据以上权利要求之一的惯性传感器（201），其特征在于，构成一用于限制摆杆偏移的止挡（313）。

9.根据以上权利要求之一的惯性传感器（201），其特征在于，所述摆杆（207）具有空槽（314），所述弹簧装置（205）设置在所述空槽中。

10.根据以上权利要求之一的惯性传感器（201），其特征在于，所述惯性传感器（201）构成为微机械的惯性传感器。

11.根据以上权利要求之一的惯性传感器（201），其特征在于，所述惯性传感器（201）构成为加速度传感器。

12.根据以上权利要求之一的惯性传感器（201），其特征在于，所述惯性传感器（201）构成为多通道的惯性传感器、尤其是多通道的加速度传感器。

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