CN105600736B - 用于微机械z传感器的摆杆装置 - Google Patents

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Abstract

用于微机械Z传感器(200)的摆杆装置(100),具有两个围绕扭转弹簧(10)支承的、关于该扭转弹簧(10)非对称地构造的摆杆臂(20,21),其中,这些摆杆臂(20,21)具有第一穿孔(30),这些摆杆臂(20,21)至少之一具有至少一个开口(32),其中,第一穿孔(30)的直径构造为限定地小于所述开口(32)的直径,并且,在这些摆杆臂(20,21)至少之一中构造一个空腔(50),用于将第一穿孔(30)与所述至少一个开口(32)连接。

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用于微机械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(传感器芯)和分析处理电子器件。能够实现在垂直于传感器芯的主平面的方向上的加速度测量的传感器芯被称作Z传感器。这种传感器用于机动车领域,例如在ESP系统中,或者用于移动电话领域。
例如,在博士论文“-Sensoren als elektrischeTeststrukturen zur Charakterisierung ihrer Herstellungsprozesse”(Maute,Matthias;图宾根大学;2003年)的第六章中详细描述了所述传感器原理。
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“FP功能化”的范畴内,为微机械加速度传感器构造了摆杆,所述摆杆不是仅由一单个紧凑层结构化,而是在两个不同的硅层中结构化。因此可以构成可运动的“盆状”结构。
发明内容
本发明的任务是,提供一种用于微机械Z传感器的具有改善的阻尼特性的摆杆装置。
根据第一方面,所述任务通过一种用于微机械Z传感器的摆杆装置解决,该摆杆装置具有:
-两个围绕扭转弹簧支承的摆杆臂,所述摆杆臂关于所述扭转弹簧非对称地构造;其中,
-所述摆杆臂具有第一穿孔;其中,
-所述摆杆臂至少之一具有至少一个开口,其中,所述第一穿孔的直径构造为限定地小于所述开口的直径;并且,
-在所述摆杆臂至少之一中构造空腔,用于使所述第一穿孔与所述至少一个开口连接。
根据本发明的摆杆装置以该方式可以有利地具有提高的阻尼。
根据第二方面,所述任务通过用于制造用于微机械Z传感器的摆杆装置的方法解决,该方法具有以下步骤:
-构造两个非对称地构造的摆杆臂;
-在所述摆杆臂的第三功能层中构造第一穿孔;
-在所述摆杆臂至少之一的第一功能层中构造至少一个开口;并且
-在所述摆杆臂至少之一中构造至少一个空腔,由此使所述第一穿孔与所述至少一个开口连接。
从属权利要求的主题是本发明摆杆装置和本发明方法的优选实施例。
所述摆杆装置的一种有利扩展构型的特征在于,第一穿孔具有构造在摆杆装置的x-y平面中的约0.5μm×约2μm的面,并且,所述开口具有构造在摆杆装置的x-y平面中的约2μm×约3μm的面。以该方式提供用于穿孔和盲孔的特定尺寸,所述尺寸极大地受益于连接空腔。
所述摆杆装置的另一种有利扩展构型设置,在摆杆装置的第三功能层中构造所述第一穿孔。以该方式支持第一穿孔的在工艺技术上有利的制造。
所述摆杆装置的另一种有利扩展构型的特征在于,在所述摆杆装置的第一功能层中构造所述至少一个开口。在工艺技术上在第一功能层中设置比在第三功能层中更大的槽口。
所述摆杆装置的另一种有利扩展构型设置,所述空腔布置在具有第一功能层的一摆杆臂中。以这种方式存在足够的质量用于构造连接空腔。
下面根据多个附图借助进一步的特征和优点详细说明本发明。在此,所说明的所有特征自身或者任意组合地形成发明主题,不依赖于在说明书或附图中对它们的描述以及在权利要求中的组合或引用关系。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图是定性地而不是按比例地制作的。因此不能从附图中得知比例和数量级。
附图说明
附图示出:
图1 用于微机械Z传感器的传统摆杆装置的横截面视图;
图2 用于微机械Z传感器的本发明摆杆装置的简化表示的一种实施方式;
图3 用于微机械Z传感器的本发明摆杆装置的一种实施方式;
图4 用于微机械Z传感器的本发明摆杆装置的俯视图;
图5 本发明方法的一种实施方式的原理性流程图。
具体实施方式
图1以横截面视图极其简化地示出用于微机械Z加速度传感器的传统摆杆装置。
在该截面视图中可看出,摆杆装置100的整体结构由三个功能层实现,即处于上方的第一功能层EP、布置在第一功能层EP和第三功能层FP之间的第二功能层OK和处于下方的第三功能层FP层。在此,第二功能层OK也可根据需要取消。摆杆装置100在摆杆臂20、21中具有一些优选构造在第三功能层FP中的第一穿孔30。在摆杆臂21的第一功能层EP中布置有第二穿孔31,第二穿孔的直径大于第一穿孔30的直径。
第一穿孔30的贯通孔的大小在从约0.5μm到约2μm的范围内变动。第二穿孔31的贯通孔的大小在从约2μm到约3μm的范围内变动。所述穿孔30、31的不同是由工艺决定的并且仅能受限制地改变。它们主要由此引起:在制造过程中,处于其下方的层能够借助蚀刻气体被蚀刻掉。借助以限定的刚性构造的扭转弹簧10,摆杆装置100的结构可旋转或者说可扭转地支承在或者说悬挂在硅基底1上。
可看出,摆杆臂20、21由于关于扭转弹簧10的不同质量分布而非对称地构造。这种非对称可以在摆杆臂20、21基本等长(几何对称)的情况下通过摆杆臂20、21的非对称质量分布构成,例如通过摆杆臂20、21的上述不同穿孔30、31或通过两个摆杆臂20、21的不同厚度构成。但附加地或替代地,该非对称也可通过两个摆杆臂20、21的几何非对称(例如不同的臂长)来实现。
由于垂直于摆杆装置100的主平面起作用的加速度(Z方向上的垂直加速度),摆杆装置100的结构会基于两个摆杆臂20、21的非对称而围绕扭转弹簧10扭转。摆杆装置100通过电路(未示出)保持在限定的电势上,布置在摆杆装置100下方的、用于测量目的的、固定的第二电极(未示出)保持在另一限定的电势上。可看出摆杆臂20、21的“盆状”结构,其中,在该盆状结构的上方布置固定电极40。
摆杆装置100的倾斜度变化借助电子分析处理装置(未示出)通过对电极上的电荷变化的感测和分析处理来探测。通过这种方式能够获知作用到微机械Z传感器100上的垂直加速度(“在Z方向上”)。
图2示出,根据本发明设置,在摆杆臂20中构造有用于使第一穿孔30(在图2中未示出)与至少一个开口32(在图2中未示出)连接的空腔50。所述开口32的直径在此相应于穿孔31的直径。优选空腔50构造在其中存在具有足够质量的第一功能层EP的一个摆杆臂20、21中,由此确保功能层FP和EP的功能性(机械的和电的)连接。
图3以横截面视图示出根据本发明构造的摆杆装置100的一种实施方式。由于摆杆臂20中的第一穿孔30和开口32之间借助空腔50实现的连接,摆杆臂20现在可具有与摆杆臂21基本相同的阻尼性能,因为在摆杆装置100的下侧上仅实现第一穿孔30。其结果是,由此支持两个摆杆臂20、21的非常对称的阻尼性能。
为了制造空腔50,首先在摆杆臂20、21的第三功能层FP中构型第一穿孔30。然后在第一功能层EP中构造一个或多个开口32。最后在摆杆臂20中这样构造空腔50,使得在第一穿孔30和开口32之间实现流体技术上的贯通连接。其结果是,由此以第一穿孔30形式实现整个摆杆结构的下侧的基本均匀的穿孔,由此获得整个摆杆装置100的均匀的阻尼性能。
在一种变形方案中,也可附加地在摆杆臂21中布置空腔50(未示出)。空腔50基本可构造在存在具有足够质量的第一功能层EP的各处。在此也可设想,在两个摆杆臂20、21中也分别构造多个空腔50(未示出)。
所述穿孔30、开口32和空腔50的数量和定位优选适配于摆杆装置100的几何形状或者说适配于摆杆装置100的设计。因此,所述这些元素在附图中的所有数量、尺寸和布置仅应被视为示例性和定性地示出。
图4示出图3的本发明摆杆装置100的实施方式的俯视图。可看出,空腔50(亮的阴影线)被无空腔的质量(暗的阴影线)包围。在这些区域中,最下方的功能层FP与最上方的功能层EP机械地和电地连接。附图标记21a标记摆杆臂21的具有第一穿孔30的区域。
图5示出本发明方法的一种实施方式的原理性流程图。
在第一步骤300中,实施两个非对称地构造的摆杆臂20、21的构成。
在第二步骤310中,在摆杆臂20、21的第三功能层FP中实施第一穿孔30的构成。
在第三步骤320中,在摆杆臂20、21至少之一的第一功能层EP中实施至少一个开口32的构成。
最后在第四步骤330中,在摆杆臂20、21至少之一中实施至少一个空腔50的构成,由此使第一穿孔30和所述至少一个开口32连接。
综上所述,通过本发明提供一种用于微机械Z传感器的摆杆装置,所述摆杆装置使得能够实现Z传感器的改善的阻尼特性并且从而实现改善的功率能力。改善的阻尼特性由此引起:在该摆杆装置的底侧上建立了均匀的穿孔结构。借助所述摆杆臂至少之一中的连接空腔能够以技术上的简单方式实现该目的。
有利地也可以是,将根据本发明的原理应用到其它传感器技术上,例如应用到压阻式的微机械加速度传感器上。
尽管借助具体实施方式说明了本发明,但本发明绝不局限于此。本领域技术人员认识到,在不偏离本发明核心的情况下,能够实现上面没有说明的或者仅部分说明的多种修改。

Claims (8)

1.用于微机械Z传感器(200)的摆杆装置(100),具有:
-两个围绕扭转弹簧(10)支承的摆杆臂(20,21),所述摆杆臂关于所述扭转弹簧(10)非对称地构造;其中,
-所述摆杆臂(20,21)在所述摆杆臂的底侧上具有第一穿孔(30),所述第一穿孔(30)沿着整个底侧分布;其中,
-所述摆杆臂(20,21)至少之一具有至少一个开口(32),其中,所述第一穿孔(30)的直径构造为限定地小于所述开口(32)的直径;并且,
-在所述摆杆臂(20,21)至少之一中构造空腔(50),用于使所述第一穿孔(30)与所述至少一个开口(32)连接,
-所述空腔(50)沿着平行于所述底侧的设计尺寸的宽度比所述至少一个开口(32)的宽度更宽。
2.如权利要求1所述的摆杆装置(100),其特征在于,所述第一穿孔(30)具有构造在所述摆杆装置(100)的x-y平面中的0.5μm×2μm的面,并且,所述开口(32)具有构造在所述摆杆装置(100)的x-y平面中的2μm×3μm的面。
3.如权利要求1或2所述的摆杆装置(100),其特征在于,所述第一穿孔(30)在所述摆杆装置(100)的第三功能层(FP)中构成。
4.如权利要求1或2所述的摆杆装置(100),其特征在于,所述至少一个开口(32)在所述摆杆装置(100)的第一功能层(EP)中构成。
5.如权利要求1或2所述的摆杆装置(100),其特征在于,所述空腔(50)布置在具有第一功能层(EP)的一摆杆臂(20,21)中。
6.微机械Z传感器(200),具有如权利要求1至5之一所述的摆杆装置(100)。
7.用于制造用于微机械Z传感器(200)的摆杆装置(100)的方法,具有如下步骤:
-构造两个非对称地构造的摆杆臂(20、21);
-在所述摆杆臂(20、21)的第三功能层(FP)中构造第一穿孔(30);
-在所述摆杆臂(20、21)至少之一的第一功能层(EP)中构造至少一个开口(32);并且
-在所述摆杆臂(20、21)至少之一中构造至少一个空腔(50),由此使所述第一穿孔(30)与所述至少一个开口(32)连接,
其中,所述摆杆装置(100)是如权利要求1至5之一所述的摆杆装置(100)。
8.如权利要求7所述的方法,其中,在具有第一功能层(EP)的摆杆臂(20,21)中实施所述空腔(50)的构造。
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