CN105182002A - 微机械加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微机械加速度传感器，包括：衬底；第一振动质量，其能够运动地悬置在衬底上并且在沿第一方向作用到衬底上的加速度的情况下可偏转；第一探测单元，用于探测在沿第一方向作用到衬底上的加速度的情况下第一振动质量的偏转；第二振动质量，其能够运动地悬置在衬底上并且在沿第二方向作用到衬底上的加速度的情况下可偏转，第二方向与第一方向垂直；第二探测单元，用于探测在沿第二方向作用到衬底上的加速度的情况下第二振动质量的偏转；第二振动质量还在沿第三方向作用到衬底上的加速度的情况下能够偏转，第三方向与第一方向和第二方向垂直；第三探测单元，用于探测在沿第三方向作用到衬底上的加速度的情况下第二振动质量的偏转。

Description

微机械加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种微机械加速度传感器。
背景技术
由公开文献DE19719779A1已知一种加速度传感器，该加速度传感器包括可运动地在衬底上悬置的、基于加速作用可偏转的并且构造为振动质量(seismischenMasse)的振动结构以及用于检测振动结构的、加速度有关的偏转的分析处理装置。振动质量在此仅仅沿一个方向能够偏转，从而仅仅可以探测沿一个唯一的方向的加速度。因此，在已知的加速度传感器中为了加速度的探测而对于每个加速度方向设有一个振动质量。
由公开文献DE102008001442A1已知一种微机械构件，该微机械构件包括具有振动质量的衬底。对于作用到衬底上的不同加速度，质量沿不同方向可偏转。因此，一个唯一的振动质量用于沿不同方向的加速度的检测。出于空间原因在已知微机械组件中可能发生：相比于基于沿第二方向的加速度振动质量的偏转，基于沿第一方向的加速度振动质量的偏转可能较不好地被检测。因此也就是说，可以不同程度良好地探测沿不同方向的加速度。
发明内容
因此，本发明所基于的任务可以在于，提供一种微机械加速度传感器，所述微机械加速度传感器克服了已知缺点。
所述任务借助于独立权利要求1的主题解决。本发明的有利的构型是从属权利要求的主题。
根据一个方面提供一种微机械加速度传感器，包括：
衬底；
第一振动质量，所述第一振动质量能够运动地悬置在所述衬底上并且在沿第一方向作用到所述衬底上的加速度的情况下能够偏转；
第一探测单元，其用于在沿所述第一方向作用到所述衬底上的加速度的情况下所述第一振动质量的偏转的探测；
第二振动质量，所述第二振动质量能够运动地悬置在所述衬底上并且在沿第二方向作用到所述衬底上的加速度的情况下能够偏转，其中，所述第二方向与所述第一方向垂直；
第二探测单元，其用于探测在沿所述第二方向作用到所述衬底上的加速度的情况下所述第二振动质量的偏转；其中，
第二振动质量还在沿第三方向作用到衬底上的加速度的情况下能够偏转，其中，所述第三方向与第一方向和第二方向垂直；
第三探测单元，其用于探测在沿所述第三方向作用到所述衬底上的加速度的情况下所述第二振动质量的偏转。
通过第一质量仅仅设置用于沿第一方向的加速度的探测并且不附加地用于沿第二和/或第三方向的探测，尤其促成如下技术优点：第一质量及其在衬底上相应的设置可以朝最优的偏转优化，所述最优的偏转由沿第一方向的加速度引起。因为第一质量还不必用于沿第二和第三方向的加速度的检测，所以不必探讨关于设计和设置的折衷以借助于第一质量也还检测这些加速度。为了检测沿第二和第三方向的加速度，设有第二振动质量。
因此，第一质量可以有利地补偿第二振动质量沿第一方向的加速度的可能的探测弱点。因此，本发明尤其包括如下构思，即设置具有两个振动质量的衬底，其中，第一质量仅仅用于沿第一方向的加速度的探测，其中，另一质量仅仅用于沿第二方向和第三方向的相应加速度的探测。因此，第一质量有利地补偿第二质量的探测弱点。第二质量原则上同样可以用于沿第一方向的加速度的探测。然而根据本发明不采取这一点。取而代之地，第二质量仅仅用于沿第二方向和第三方向的加速度的检测。
一个唯一的振动质量虽然可能足以能够探测沿三个方向的加速度，如在公开文献DE102008001442A1中所示的那样。但探测可能对于三个方向是不同程度良好的。如果现在对于沿三个不同方向的加速度的探测应用三个加速度传感器，如由公开文献DE19719779A1已知的那样，则在该解决方案中需要许多空间。因为在该解决方案中需要三个振动质量。本发明促成了在尽可能小的空间需求与沿三个方向的加速度的高性能探测之间的有利的折衷。因为本发明以仅仅两个振动质量足够(比三个振动质量具有更小的空间需求)然而却促成了加速度的灵敏的检测或探测(用于一个方向的第一质量，用于两个其他方向的第二质量)。与文献DE102008001442A1的技术原理不同，不采取沿三个不同方向的加速度的借助于一个唯一的振动质量的检测。取而代之地，借助于一个质量检测两个加速度方向，而借助于另一质量检测第三加速度方向。原则上第二质量也可以附加地用于借助于第一质量检测的加速度方向。但例如基于变形可能出现所谓的偏置误差，也就是一个信号，其由变形引起、然而不是由沿该方向的加速度作用引起。如果涉及沿该方向的加速度的测量或检测，则通常第二质量对于这样的偏置误差是灵敏的。但是因为恰恰该加速度作用借助于第一质量检测，所以该偏置灵敏性不再起作用。第二质量的与此相关的弱点通过第一质量补偿。
第二振动质量在两个不同加速度方向的情况下分别能够偏转，这例如促成如下技术优点，即第二振动质量相对于变形是较不灵敏的。如果第二振动质量借助于扭转弯曲弹簧悬置在衬底上，尤其是这样的。
具有第一探测单元的第一振动质量或者具有第二和第三探测单元的第二振动质量分别形成传感器核(Sensorkern)。尤其可以将如下传感器核称为多质量振动装置，在该传感器核中对于每个传感方向设有一个振动质量，所述传感方向也就是如下方向，即应该沿该方向检测加速度。因为对于沿不同方向的加速度的检测必须使用多个质量。尤其可以将如下传感器核称为单质量振动装置，在该传感器核中一个质量用于多个传感方向。在该传感器核中组合或统一多个传感器核(单质量振动装置)。因此，本发明将用于两个传感方向的单质量振动装置与用于一个传感方向的多质量振动装置组合。
在一种实施方式中，振动质量(或传感器核)包括由硅构成的微机械结构。由此尤其促成如下技术优点，即可以借助于光刻工艺实施加速度传感器的制造。
根据一种实施方式，设有分析处理电子设备用于探测单元(第一和/或第二和/或第三)的信号的分析处理。由此尤其促成如下技术优点，即可以分析处理探测单元的信号，从而基于此可以确定相应于所述方向的加速度。
在一种实施方式中设置，第一振动质量仅仅沿第一方向能够平移地偏转。由此例如可以促成如下技术优点，即可以特别简单地探测沿第一方向的加速度。例如可以通过以下方式促成第一振动质量仅仅能够沿第一方向偏转：第一质量沿第一方向软悬置在衬底上而沿与之垂直的方向硬悬置。
在另一实施方式中设置，第二振动质量在沿第二方向作用到衬底上的加速度的情况下能够沿第二方向平移地偏转。通过平移的偏转例如促成如下技术优点，即可特别简单地检测偏转。
根据另一实施方式设置，第二振动质量在沿第三方向作用到衬底上的加速度的情况下能够绕旋转轴线旋转地偏转，所述旋转轴线与第三方向垂直。由此例如促成如下技术优点，即在沿第三方向加速度的情况下可以特别简单地使振动质量偏转，从而促成了所述加速度的灵敏的探测。例如第二振动质量具有绕旋转轴线非对称的质量分布。由此例如促成如下技术优点，在沿第三方向的加速度的情况下作用到第二振动质量上的总转矩不等于零，这最后导致绕旋转轴线的旋转。
在另一实施方式中，第二振动质量借助于弹簧、尤其扭转弯曲弹簧能够运动地悬置在衬底上。旋转轴线尤其相应于弹簧的纵轴线。
根据另一实施方式设置，探测单元、也就是第一和/或第二和/或第三探测单元包括电极。第一和/或第二振动质量包括相应于这些电极的对应电极，从而电极和对应电极分别形成一个电容器或多个电容器。由此例如促成如下技术优点，即引起振动质量的偏转的容性检测。第三探测单元例如包括一个或多个电极，它们设置在衬底上。
在一种实施方式中设置，电极和相应对应电极中的至少一些具有梳状结构，从而电极和对应电极相互梳状连接。由此例如促成如下技术优点，在少量空间上形成多个电容器，这促成了加速度的灵敏的探测。分别具有梳状结构的电极和对应电极尤其也可以称为梳状电极。
根据一种实施方式，衬底是电路板。由此例如促成如下技术优点，即可以简单地形成探测单元的电接触。电路板的印制导线例如形成第三探测单元的电极。
附图说明
在下文中根据优选实施例进一步阐明本发明。附图示出：
图1：微机械加速度传感器的俯视图；
图2：另一微机械加速度传感器的部分俯视图；
图3：图2中的、具有截面线的微机械加速度传感器；
图4：沿着图3中的截面线的剖视图；
图5：图2中的微机械加速度传感器的详细视图；以及
图6：图2中的微机械加速度传感器的另一视图。
在下文中可以对于相同的特征应用相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出微机械加速度传感器101的俯视图。
微机械加速度传感器101包括衬底103。设有第一振动质量105，所述第一振动质量能够运动地悬置在衬底103上并且在沿第一方向作用到衬底上的加速度的情况下能够平移地偏转。第一方向相应于x、y、z坐标系统107的x轴。此外设有梳状电极109、也就是具有梳状结构的电极作为第一探测单元用于探测在沿第一方向作用到衬底103上的加速度的情况下第一振动质量105的偏转。第一振动质量105具有相应的对应电极111，所述对应电极同样构造为梳状电极。对应电极111和梳状电极109形成电容器，从而引起第一振动质量103沿x方向的偏转的容性检测。第一振动质量105仅仅沿第一方向(x方向)能够偏转，这例如通过以下方式引起：第一质量105沿第一方向软悬置在衬底103上而沿与之垂直的方向(y方向)硬悬置。
此外设有第二振动质量113，所述第二振动质量能够运动地悬置在衬底103上并且在沿第二方向作用到衬底103上的加速度的情况下可平移地偏转，其中，第二方向与第一方向垂直。第二方向相应于x、y、z坐标系统107的y轴。与梳状电极109类似地，梳状电极115构造为用于探测在沿第二方向作用到衬底103上的加速度的情况下第二振动质量113的偏转的第二探测单元。具有振动质量113的梳状结构的相应的对应电极设有附图标记117。相应地引起第二振动质量105沿y方向的偏转的容性检测。
第二振动质量113在沿第三方向作用到衬底上的加速度的情况下绕旋转轴线119旋转地能够偏转，所述旋转轴线与第三方向垂直，其中，第三方向与第一方向和第二方向垂直。第三方向相应于x、y、z坐标系统107的z轴。在沿z方向旋转时第二振动质量113类似于臂杆(Wippen)那样绕旋转轴线119翻转，所述旋转轴线延伸通过第二振动质量113，其中，第二振动质量113关于旋转轴线119的质量分布是非对称的。在衬底103上形成电极121，所述电极连同相应的对应电极(未示出)在第二振动质量113的朝向衬底103的侧上形成电容器，从而引起翻转运动的容性检测。电极121例如构造为印制导线。如果衬底103根据一种实施方式构造为电路板，则尤其这样。因此，电极121形成用于探测在沿第三方向作用到衬底103上的加速度的情况下第二振动质量113的偏转的第三探测单元。
附图标记123指示用于过载的固定止挡，所述固定止挡与衬底103连接。附图标记125指示弹簧，借助于所述弹簧第二振动质量113能够运动地悬置在衬底103上。弹簧125尤其构造为扭转弯曲弹簧。旋转轴线119延伸通过弹簧125的纵向方向。附图标记127指示接线，借助于接线例如电极和对应电极接线并且电接触。附图标记129指示一个连接区域，在所述连接区域上弹簧125与衬底103连接。附图标记131指示梳状电极结构，所述梳状电极结构可以用于探测沿x方向的加速度作用，因为在此第二振动质量113将绕一个旋转轴线旋转，所述旋转轴线与z轴平行并且延伸通过连接区域129。但所述x加速度作用借助于第一振动质量105检测。因此也可以省去梳状电极结构131。取而代之地，可以根据变为自由的区域增大第二振动质量113(参见图2、3、5和6)。
在衬底103变形的情况下将使梳状电极结构131偏转，尽管沿x方向不存在加速度。因此将测量一个信号，但该信号不相应于沿x方向的加速度。这样的信号可以称为偏置误差(Offset-Fehler)。但在此，相比于第二振动质量113，第一振动质量105基于其沿x方向的软悬置和沿y方向的硬悬置对于这样的变形较不灵敏。第二振动质量113沿x方向的探测弱点通过第一振动质量105有利地补偿。
图2示出另一微机械加速度传感器201的部分俯视图，所述微机械加速度传感器与图1的微机械加速度传感器101类似地构造。之所以是部分俯视图是因为未示出第一振动质量105。所述第一振动质量与图1类似地构造。与图1不同，没有构造另一梳状电极结构131。第二振动质量113现在占据变为自由的空间，所述第二振动质量相应地更大地构造。但为了更好的阐述，在图2中记录了附图标记131，该附图标记现在不再指示梳状电极结构，而是指示第二振动质量113的增大了的区域。
图3示出与图2相同的视图。为清楚起见，省去了大多数的附图标记。附图标记301指示截面线。
图4示出沿着截面线301的剖视图。
图5示出图2中的微机械加速度传感器201的详细视图。
图6示出图2中的微机械加速度传感器201的另一视图。
在上述实施例中借助于第一振动质量105测量x加速度作用。借助于第二振动质量113测量Y加速度作用和Z加速度作用。这不是限制性的，而是示例性的。在未示出的实施方式中设置，借助于第一振动质量105测量y加速度作用，而借助于第二振动质量113测量x加速度作用和z加速度作用。也设有另外的组合，只要借助于一个振动质量测量一个唯一的轴加速度作用并且借助于另一振动质量测量两个其余的轴加速度作用。

Claims (4)

1.一种微机械加速度传感器(101、201)，其包括：
衬底(103)；
第一振动质量(105)，所述第一振动质量能够运动地悬置在所述衬底上并且在沿第一方向作用到所述衬底(103)上的加速度的情况下能够偏转；
第一探测单元(109)，其用于探测在沿所述第一方向作用到所述衬底(103)上的加速度的情况下所述第一振动质量(105)的偏转；
第二振动质量(113)，所述第二振动质量能够运动地悬置在所述衬底(103)上并且在沿第二方向作用到所述衬底(103)上的加速度的情况下能够偏转，其中，所述第二方向与所述第一方向垂直；
第二探测单元(115)，其用于探测在沿所述第二方向作用到所述衬底(103)上的加速度的情况下所述第二振动质量(113)的偏转；其中，
第二振动质量(113)还在沿第三方向作用到所述衬底(103)上的加速度的情况下能够偏转，其中，所述第三方向与第一方向和第二方向垂直；
第三探测单元(121)，其用于探测在沿所述第三方向作用到所述衬底(103)上的加速度的情况下所述第二振动质量(113)的偏转。
2.根据权利要求1所述的微机械加速度传感器(101、201)，其中，所述第一振动质量(105)仅仅沿所述第一方向能够平移地偏转。
3.根据权利要求1或2所述的微机械加速度传感器(101、201)，其中，所述第二振动质量(113)在沿所述第二方向作用到所述衬底(103)上的加速度的情况下能够沿所述第二方向平移地偏转。
4.根据以上权利要求中任一项所述的微机械加速度传感器(101、201)，其中，所述第二振动质量(113)在沿所述第三方向作用到所述衬底(103)上的加速度的情况下能够绕旋转轴线(119)旋转地偏转，所述旋转轴线与所述第三方向垂直。
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