CN104849493A - 用于微机械z传感器的摆杆装置 - Google Patents

Abstract

一种用于微机械Z传感器(200)的摆杆装置(100)，所述摆杆装置：具有两个能够围绕扭转轴线(10)支承的、皿状构造的摆杆臂(20，21)，其中，所述摆杆装置(100)相对于所述扭转轴线(10)非对称地构造；对于每个摆杆臂(20，21)具有一个止挡区域，所述止挡区域具有至少一个第一止挡元件(30)，其中，在每一个摆杆臂(20，21)上所述止挡区域相对于所述摆杆装置(100)的传感区域(SB)限定地增高地构造。

Description

用于微机械Z传感器的摆杆装置

技术领域

本发明涉及一种用于微机械Z传感器的摆杆装置。本发明还涉及一种用于制造微机械Z传感器的摆杆装置的方法。

背景技术

用于测量物理加速度的传统传感器通常具有由硅制成的微机械结构(传感器核)和分析处理电子器件。能够实现在垂直于传感器核的主平面的方向上测量加速度的传感器核称作Z传感器。这种传感器用于机动车领域——例如ESP系统中或移动电话领域中。

例如，在博士论文《-Sensor als elektrischeTeststrukturen zur Charakterisierung ihrer Herstellungsprozesse》(Maute，Matthias；图宾根大学；2003年)的第六章中进一步描述了所述的传感器原理。

EP 0 244 581 A1公开了一种用于自动触发乘员保护装置的微机械传感器。

EP 0 773 443 B1公开了一种微机械加速度传感器。

在例如在DE 10 2007 060 878 A1和DE 10 2009 000 167 A1中公开的所谓的“FP功能化”的范畴内，对于微机械加速度传感器构造摆杆(Wippe)，所述摆杆不仅由单个紧凑层结构化而且在两个不同的硅层中结构化。因此，可以构成可运动的“皿状”结构。

在操作加速度传感器时，在突然过负荷的情况下(例如当具有加速度传感器的控制设备掉到地面上时)，质量(Masse)和(因此)弹簧可能在垂直方向上(即向平面外)偏移。在此，FP功能层的质量可能损坏上方的电极或者也可能破坏FP功能层自身。

为了防止以上所述情况，提出例如在DE 10 116 931 A1中描述的机械止挡。在其中公开的止挡在约7μm至约10μm之后才阻止摆杆。然而，因为在所述的具有FP功能化的技术中摆杆位于两个电极之间并且所述两个电极小于约2μm地彼此远离，所以所述传统的过负荷保护不再足够。因此，开发了附加结构，其能够使摆杆在止挡之前停止。在DE 10 2009 029 095 A1和US 8 124 895 B2中公开了这种机械止挡。

发明内容

本发明的任务是，提供一种具有增大的止挡加速度的微机械Z传感器。

根据第一方面，所述任务借助用于微机械Z传感器的摆杆装置解决，所述摆杆装置：

具有两个可围绕扭转轴线支承的、皿状构造的摆杆臂，其中摆杆装置相对于扭转轴线非对称地构造；

对于每个摆杆臂具有一个止挡区域，所述止挡区域具有至少一个第一止挡元件，其中在每一个摆杆臂上所述止挡区域相对于摆杆装置的传感区域限定地增高地构造。

借助摆杆臂的增高的区域，可以提供更多的运动自由度并且因此提供用于具有根据本发明的摆杆装置的Z传感器的增大的止挡加速度。通过这种方式，可以有利地提高微机械Z传感器的功能。

根据第二方面，所述任务借助用于制造微机械Z传感器的摆杆装置的方法解决，所述方法具有以下步骤：

提供两个非对称地皿状构造的摆杆臂；

如此构造每个摆杆臂的各一个区域，使得所述区域具有至少一个第一

止挡元件并且相对于摆杆装置的传感区域限定地增高地构造。

从属权利要求的主题是根据本发明的摆杆装置的和根据本发明的方法的优选实施方式。

摆杆装置的一种有利扩展方案的特征在于，摆杆装置在止挡区域中的增高的程度基本上相应于第一止挡元件的高度。通过这种方式，可以在考虑摆杆装置的机械给定条件的情况下优化摆杆臂的运动间隙，使得由此最大程度地增大止挡加速度。

摆杆装置的一种有利扩展方案的特征在于，在摆杆装置的下侧上对于每个摆杆臂在第一止挡元件和扭转轴线之间附加地设置有至少一个第二止挡元件。通过这种方式，整个摆杆装置的或者整个微机械Z传感器的耐摔强度可以有利地增大。由此，尤其保护摆杆臂的增高的区域和摆杆装置的传感区域之间的敏感过渡区域免受损坏或者断裂。

摆杆装置的有利扩展方案设置，将摆杆装置的穿孔构造为具有倒圆的角的开口或构造为具有倒圆的角的缝隙状开口。由此，可以实现摆杆装置的摆杆臂的增大的机械稳健性，因为机械应力均匀地分布到材料上。其结果是，提供更大的物理质量，其能够接收更多的机械能量。此外，通过这种方式可以有利地提供增大的电容，其可以改善Z传感器的传感特性。

摆杆装置的另一种优选实施方式的特征在于，摆杆装置还具有至少一个减负荷元件，所述至少一个减负荷元件以穿透摆杆装置的全部层的缝隙的形式构造。有利地，通过这种方式方法可以更软地并且更柔性地构型摆杆装置的整个结构，其方式是，缝隙使摆杆装置的各个区域相互之间在机械上脱耦合。通过这种方式，可以增大摆杆装置的机械弹性，由此有利地进一步提高整个摆杆装置的耐摔强度。

摆杆装置的有利扩展方案的特征在于，在摆杆装置的止挡装置的区域中和/或从摆杆装置的边缘区域开设到摆杆装置中地构造缝隙。由此，对于缝隙尽可能地充分利用设计可能性，其中缝隙的形状和定位与摆杆装置的应用特性匹配。其结果是，由此可以有利地影响摆杆结构的弹性特性。

以下借助其他特征和优点根据多个附图进一步描述本发明。在此，所描述的所有特征对于自身或者以任意组合地构成本发明的主题，与其在说明书或附图中的描述以及与其在权利要求书中的组合或引用无关。相同的或功能相同的元素具有相同的参考标记。定性地并且不按比例地制作附图。因此，不能从附图得出比例和量级。

附图说明

图1以原理性横截面视图示出用于微机械Z加速度传感器的传统摆杆装置；

图2示出用于微机械Z加速度传感器的根据本发明的摆杆装置的第一实施方式；

图3示出传统摆杆装置与根据本发明的摆杆装置的一种实施方式的原理性比较；

图4以横截面视图示出根据本发明的摆杆装置的另一种实施方式；

图5示出图4的根据本发明的摆杆装置的实施方式的电极区域或者传感器区域的原理图；

图6a、6b示出根据本发明的摆杆装置的一种实施方式的两个细节图；

图7示出根据本发明的摆杆装置的一种实施方式的透视细节视图；

图8示出根据本发明的摆杆装置的另一种实施方式的细节图；

图9示出具有根据本发明的摆杆装置的微机械Z传感器的框图；

图10示出根据本发明的方法的一种实施方式的原理性流程图。

具体实施方式

图1极其示意性地以横截面视图示出用于微机械Z传感器(未示出)的传统的摆杆装置100。看到两个摆杆臂20、21，它们按质量非对称地构造并且可围绕扭转轴线10扭转地支承，所述扭转轴线优选构造为弹簧装置。摆杆装置100的结构借助优选具有限定的刚性的弹簧装置可转动地或者可扭转地支承在硅衬底上或者悬挂在所述硅衬底上。在每一个摆杆臂20、21下方设置有凸块状的、由摆杆臂20、21的材料组成的止挡元件30，借助所述止挡元件摆杆臂20、21可以在所设置的垂直加速度时止挡到电极40上。止挡元件30止挡到电极40上时的加速度值称作止挡加速度并且表示微机械Z传感器的重要运行参数。在所述的止挡加速度时实现止挡元件30与电极40的受控制的“进行止挡(In-Anschlag-gehen)”。所述的止挡加速度越大，则Z传感器的运行特性可能越好。

由于蚀刻工艺，摆杆装置100的在z方向上构造的穿孔(未示出)取决于制造地存在并且基本上完全覆盖所述摆杆区域。

可以看到，由于相对于弹簧装置10的不均匀的质量分布，摆杆臂20、21非对称地构造。在摆杆臂20、21基本上等长时(几何对称)，非对称可以通过摆杆臂20、21的非对称的质量分布——例如通过臂20、21的不同穿孔或通过两个摆杆臂20、21的不同厚度构造。但附加地或替代地，非对称也可以通过两个摆杆臂20、21的几何形状的非对称(例如，不同的臂长)实现。

在图1中示出了所述的通过两个摆杆臂20、21的不同质量实现的非对称(质量大的摆杆臂21，质量小的摆杆臂20)。由于垂直于摆杆装置100的主平面作用的加速度(垂直加速度)，摆杆装置100的结构由于两个摆杆臂20、21的非对称可围绕扭转轴线10扭转。摆杆装置100通过电子电路(未示出)保持在限定的电势上，设置在摆杆装置100下方的用于测量目的的固定电极40保持在限定的另一电势上。可看到摆杆装置100的“皿状”结构，其中在所述皿状结构上方设置有固定电极50。

借助电子分析处理装置(未示出)通过电极40、50上的电荷变化的检测和分析处理来探测摆杆装置100的倾斜变化。通过这种方式，可以求取作用到微机械Z传感器上的垂直加速度(“在z方向上”)。

为了实现摆杆臂20、21的皿状结构，通常由三个功能层(未示出)——即由位于上方的第一功能层(所谓的EP层)、由设置在EP层和第三功能层(所谓的FP层)之间的第二功能层(所谓的OK层)和位于下方的FP层实现摆杆装置100的整个结构。在此，在需要时也可以取消OK层。

在衬底中设有多个机械止挡70(所谓的“镫(Steigbügel)”)，使得在过负荷时摆杆结构在限定的点处止挡到衬底上并且应防止摆杆装置100在侧面(“平面内”)的过负荷加速时到达或者超过临界偏移。

图2以原理性横截面视图示出根据本发明的摆杆装置100的第一实施方式。可以看到，每一个摆杆臂20、21的位于外部的区域分别与位于扭转轴线10处的内部区域相比提高地或者限定地增高地构造。因此，摆杆臂20、21在垂直的工作方向上具有更大的几何运动间隙并且因此能够以有利增大的止挡加速度止挡到设置在其下方的电极40上。因此结果是，通过摆杆臂20、21的部分增高有利地提供增大的止挡加速度并且因此为微机械Z传感器提供有利的使用特性。

优选地，电极50的下侧也与摆杆臂20、21的下沉区域的皿结构匹配。

图3以俯视图示出根据本发明的摆杆装置100的一种实施方式与传统的摆杆装置100的俯视图的比较。为了清楚，分别仅仅示出了两个摆杆臂21，其中在左侧示出摆杆臂21的根据本发明的构造，而在右侧示出摆杆臂21的传统的构造。可以看到，与传统的摆杆装置100相比，根据本发明的摆杆装置100在z方向上具有更大的运动自由度B，这对于微机械Z传感器装置而言引起增大的止挡加速度。

图4示出摆杆装置100的另一种实施方式的横截面视图。可以看到在摆杆臂20、21的下侧上在第一止挡元件30和扭转轴线10之间设置有附加的止挡元件31，所述附加的止挡元件在重的碰撞时应保护摆杆臂20、21的增高的区域和摆杆臂20、21的下沉的皿结构之间的机械敏感过渡区域。

为此目的，附加的凸块状的止挡元件31与摆杆臂20、21的增高优选基本上相同高度地构造。凸块状的止挡元件30、31的高度为约20μm。附加的止挡元件31能够以任意数量分布在摆杆臂20、21的下面上，使得尽可能考虑止挡要求或者碰撞要求。因此结果是，通过附加的止挡元件31有利地支持整个摆杆装置100的增大的碰撞强度。在图4中，尽管所述附加的止挡元件31设置在止挡元件30附近，但止挡元件30和31相互之间明显间隔开地设置优选可以是有利的。

图5加框表示地示出摆杆装置100的传感区域或者电极区域SB，在其中检测电极40、50的电容变化并且在其中实施摆杆臂20、21的穿孔的随后描述的有利构型。

图6a以俯视图示出摆杆臂20、21的改进的垂直穿孔的第一形状。可以看到，穿孔80的传统的带角的结构(左侧示图)基本上由具有倒圆的角的开口(右侧示图)替代。通过这种方式能够实现，机械负荷更好地传递到摆杆臂20、21的材料上。在图6b中，在右侧的示图中示出了穿孔80的另一种变形方案，可以看到，在这种情形中由小的、缝隙状的穿孔80替代长方形的穿孔80，其中在这种情形中角也倒圆地构造。

其结果是，借助穿孔80的所述的特定构型实现物理缺口效应(Kerb-effekt)的影响的减弱。优选地，改进的穿孔80可以完全或部分地设置在摆杆装置100的以下区域中：在所述区域中摆杆装置100更强地负荷。所述的穿孔80的有利的尺寸在约0.5μm乘约4μm的数量级上变化。

有利地，借助图6a和6b的改进的垂直穿孔80的结构实现摆杆臂20、21内的改善的力分布。可以相对简单地借助摆杆臂20、21的增大的构型应对(begegnen)摆杆臂20、21的与其关联的增大的刚性。可以不仅分离地而且在摆杆臂20、21中混合地构造图6a和图6b的改进的穿孔80的结构。

图7示出用于摆杆装置100的机械止挡能量的改善的接收的另一措施。为此，设有窄缝形式的多个减负荷元件60，它们穿过摆杆装置100的全部层构造并且用于使摆杆装置100整体上更有弹性。

此外，减负荷元件60附加地用于降低摆杆装置100的刚性，以便因此能够实现变形能量的接收。缝隙应如此影响摆杆装置100的变形，使得摆杆装置100在可能的碰撞的区域中尽可能均匀地负荷。通过这种方式，借助缝隙60在摆杆装置100内的特定的实施方式或布置能够实现更好地吸收碰撞能量，因为通过这种方式摆杆装置100的各个区域相互之间机械地脱耦合并且由此摆杆装置100内的机械应力有利地减小。

图8示出摆杆装置100中的这种缝隙60的多种布置，其中可看到缝隙60的形状可以非常灵活地构型。例如可以设置，缝隙交错走向地构造和/或从摆杆装置100的边缘区域开设到摆杆装置100中地构造。在图8中，也仅仅定性地示出多个穿孔80。

在此应指出，止挡元件30和31、穿孔80和减负荷元件60的数量或者布置是可任意变化的，从而可以借助仿真过程使所述的元件的所期望的效果尽可能与摆杆装置100匹配。优选地，所述的元件30、31、80、60的数量或者定位与摆杆装置100的几何形状或者设计匹配。因此，所述的元件在附图中的所有数量、尺寸和布置仅仅视为示例性和定性地显示。

图9仅仅定性地示出具有根据本发明的摆杆装置100的一种实施方式的微机械Z传感器200的框图。

图10示出根据本发明的方法的一种实施方式的原理性流程图。

在第一步骤S1中，提供两个非对称的、皿状构造的摆杆臂20、21。

在第二步骤S2中，如此实施每个摆杆臂20、21的各一个区域的构造，使得所述区域具有至少一个第一止挡元件30并且相对于摆杆装置100的传感区域SB限定地增高地构造。

综上所述，借助本发明提供用于微机械Z传感器的摆杆装置，所述摆杆装置能够实现增大的止挡加速度并且因此能够实现Z传感器的改善的功能。借助所述摆杆臂的外部区域的增高的设置可以通过简单的方式实现所述目标。

尽管根据具体实施方式描述了本发明，但其绝不局限于此。本领域技术人员识别到，在不偏离本发明核心的情况下，能够实现以上没有描述的或者仅仅部分描述的各种修改。有利地，尤其也能够实现将根据本发明的原理应用到其他的传感器技术上，例如应用到压阻微机械加速度传感器上。

Claims (10)

1.一种用于微机械Z传感器(200)的摆杆装置(100)，所述摆杆装置：

具有两个能够围绕扭转轴线(10)支承的、皿状构造的摆杆臂(20，21)，其中，所述摆杆装置(100)相对于所述扭转轴线(10)非对称地构造；

对于每个摆杆臂(20，21)具有一个止挡区域，所述止挡区域具有至少一个第一止挡元件(30)，其中，在每一个摆杆臂(20，21)上所述止挡区域相对于所述摆杆装置(100)的传感区域(SB)限定地增高地构造。

2.根据权利要求1所述的摆杆装置(100)，其特征在于，所述摆杆装置(100)在所述止挡区域中的增高的程度基本上相应于所述第一止挡元件(30)的高度。

3.根据权利要求1或2所述的摆杆装置(100)，其特征在于，在所述摆杆装置(100)的下侧上对于每个摆杆臂(20，21)在所述第一止挡元件(30)和所述扭转轴线(10)之间附加地设置有至少一个第二止挡元件(31)。

4.根据以上权利要求中任一项所述的摆杆装置(100)，其特征在于，所述摆杆装置(100)的穿孔构造为具有倒圆的角的开口(80)。

5.根据权利要求4所述的摆杆装置(100)，其特征在于，所述开口(80)缝隙状地构造。

6.根据以上权利要求中任一项所述的摆杆装置(100)，其特征在于，所述摆杆装置(100)还具有至少一个减负荷元件(60)，所述至少一个减负荷元件以穿透所述摆杆装置(100)的全部层的缝隙的形式构造。

7.根据权利要求6所述的摆杆装置(100)，其特征在于，所述减负荷元件(60)在所述摆杆装置(100)的止挡装置(70)的区域中和/或从所述摆杆装置(100)的边缘区域开设到所述摆杆装置(100)中地构造。

8.一种微机械Z传感器(200)，其具有根据权利要求1至7中任一项所述的摆杆装置(100)。

9.一种用于制造微机械Z传感器(200)的摆杆装置(100)的方法，所述方法具有以下步骤：

提供两个非对称的皿状构造的摆杆臂(20，21)；

对于每个摆杆臂(20，21)如此构造各一个区域，使得所述区域具有至少一个第一止挡元件(30)并且相对于所述摆杆装置(100)的传感区域(SB)限定地增高地构造。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，对于每个摆杆臂(20，21)在止挡装置(70)的区域中构造至少一个减负荷元件(60)，其中，所述减负荷元件(60)构造为穿透所述摆杆装置(100)的所有功能层(EP，FP)的缝隙。