CN106405153A - 微机械加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械加速度传感器(200)，其具有至少两个一致地构造的微机械的传感器芯(100，110)，其特征在于，这两个传感器芯(100，110)相对彼此旋转180度地布置在加速度传感器(200)上，或者，两个传感器芯(100，110)中的一个相对于一个轴线镜像地布置，所述轴线居中地延伸穿过两个传感器芯(100，110)的另一传感器芯并且与可作用于加速度传感器(200)上的横向力(F)正交地取向。

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。本发明还涉及一种用于制造微机械加速度传感器的方法。
背景技术
传统的用于测量物理加速度的传感器一般具有由硅制成的微机械结构(传感器芯)以及具有分析处理电子部件。使得能够测量正交于传感器芯主平面方向上的加速度的传感器芯被称为Z传感器。在机动车领域中，这种传感器例如使用在ESP系统或移动通信装置的领域中。
已知的微机械横向传感器(英文：In-Plane-Sensors)用于感测该横向传感器的主平面中的加速度。
EP 0 773 443B1公开了一种微机械加速度传感器。
例如在DE 10 2007 060 878 A1和DE 10 2009 000 167 A1中公开了功能层的功能化，在功能层的功能化范畴内为微机械加速度传感器构造双臂摆杆，该双臂摆杆并非仅在紧凑的单个层中、而是在两个不同的硅层中结构化。因此可以形成可运动的槽形结构。
发明内容
本发明的目的是，提供一种微机械加速度传感器，其具有改进的运行特性。
根据第一方面，该目的通过具有至少两个一致地构造的微机械传感器芯的微机械加速度传感器实现，所述微机械加速度传感器的特征在于：这两个传感器芯相对彼此旋转180度地布置在该加速度传感器上，或者，这两个传感器芯中的一个相对于一个轴线镜像地布置，所述轴线居中地穿过另一个传感器芯延伸并且与可作用于该加速度传感器上的横向力正交地取向。
根据第二方面，该目的通过用于制造微机械加速度传感器的方法实现，该方法具有以下步骤：
-构造至少两个一致地构造的微机械传感器芯；
-其中，将这两个传感器芯中的一个传感器芯相对于另一个传感器芯错开180度地布置在所述加速度传感器上；或者
-其中，将这两个传感器芯中的一个相对于一个轴线镜像地布置，所述轴线居中地穿过这两个传感器芯中的另一个传感器芯延伸并且与可作用于加速度传感器上的横向力正交地取向。
以该方式可以有利地实现，所述加速度传感器在最大程度上对横向加速度不敏感。这以下述方式实现：一致的两个传感器芯相对彼此相反地偏转，由此由分析处理电路获知两个相反的信号并由此感应不到横向加速度。
根据本发明的加速度传感器的优选实施方式是从属权利要求的主题。
所述加速度传感器的有利改进方案的特征在于，所述至少两个微机械传感器芯构造为z传感器芯和/或横向传感器芯。以这种方式，可以用不同的微机械传感器芯实现本发明的方案。
所述加速度传感器的另一有利改进方案的特征在于，这些z传感器芯分别具有一个围绕弹簧元件受支承的双臂摆杆，其中，所述弹簧元件构造为所谓的T-弹簧或所谓的i-弹簧，其中，在原则上，每种弹簧都可能产生系统性误差或者随机误差，所述误差导致加速度传感器的横向敏感性。由此，对于z传感器芯可以实现构型技术上的不同方案。
附图说明
在下文中参照多个附图用进一步的特征和优点详细描述本发明。在此，描述的所有特征本身形成本发明的主题或以任意的组合形成本发明的主题，而不依赖于在说明书或附图中对这些特征的阐述以及不依赖于在权利要求中对这些特征的概括或权利要求的引用关系。相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图并非绝对按比例尺绘制。在附图中示出：
图1 传统的微机械z传感器芯；
图2 传统的微机械z传感器芯的横剖面图；
图3 另一传统微机械z传感器芯的横剖面图；
图4-8 传统微机械z传感器芯的横剖面图；
图9 传统微机械加速度传感器的横剖面图；
图10 传统微机械加速度传感器的俯视图；
图11 本发明的微机械加速度传感器的实施方式的横剖面图；
图12 本发明的微机械加速度传感器的实施方式的俯视图；
图13 横向传感器芯的俯视图；和
图14 本发明的方法的实施方式的原理性流程图。
具体实施方式
图1以俯视图(上面的图示)和横剖面图(下面的图示)极其简化地示出根据现有技术的微机械z传感器芯100。该微机械z传感器芯100具有穿孔的、可运动的扁平双臂摆杆10。该双臂摆杆10的穿孔基于蚀刻过程取决于制造地存在并且遍布双臂摆杆区域。两个弹簧元件11优选构造为具有限定的刚性的扭转弹簧，双臂摆杆10借助这两个弹簧元件可旋转或可扭转地支承在衬底20(优选硅衬底)上或者说悬挂在该衬底上。在此，双臂摆杆10的臂10a、10b基于由弹簧元件11形成的扭转轴线在这些臂的物理质量方面非对称地构型。在这些臂10a、10b基本等长(几何对称)时，该非对称可以通过这些臂10a、10b的非对称质量分布(例如通过这些臂10a、10b的不同穿孔或者通过这两个臂10a、10b的不同厚度)构成。但是，附加地或替代地，所述非对称也可以通过这两个臂10a、10b几何形状的非对称(例如不同的臂长度)来构型。
在图1中，所提到的非对称通过双臂摆杆10的两个臂10a、10b的不同长度表明(长臂10a，短臂10b)。作为正交于双臂摆杆10的主平面起作用(在z方向上起作用)的加速度(竖直加速度)的结果，双臂摆杆10的结构可由于两个臂10a、10b的非对称而围绕扭转轴线扭转。双臂摆杆10通过电路(未示出)保持在电势PM，布置在双臂摆杆10下方的、用于测量目的的电极30、40保持在电势P1或P2。在长臂10a下方，在衬底20上还布置有电极50，该电极同样保持在电势PM。衬底20中的多个机械止挡元件21应保证：双臂摆杆结构在过载时止挡在衬底20上的限定点上，并且应防止：双臂摆杆10在侧面过载加速度的情况下达到或超过临界偏转量。应以该方式有效地保护传感器免于主平面中的机械过载以及由此造成的损坏。在图1的横剖面图中可以看到：双臂摆杆10的连接元件12，该连接元件用于将双臂摆杆10功能连接在位于该双臂摆杆下面的衬底20上。
借助电子分析处理装置(未示出)通过感测和分析处理电极30、40上的电荷变化来探测双臂摆杆10的斜度变化。以该方式可以获知作用于微机械z传感器芯100上的竖直加速度。在此，臂10a的向下偏转通过衬底20表面或者通过布置在衬底20上的电极50被限制，由此，臂10a在竖直加速度较小时就已止挡在电极50上。
图2相对于z传感器芯100的在图3中示出的变型再次简化地示出图1的结构。
在图3的剖面图中可看到，双臂摆杆10的整体结构由三个功能层，即由位于上面的第一功能层F1、布置在第一功能层F1与第三功能层F3之间的第二功能层F2以及位于下面的第三功能层F3构成。在需要时，也可取消第二功能层F2。
作为正交于双臂摆杆10主平面地起作用的加速度(在z向竖直加速度)的结果，双臂摆杆10的结构可由于两个双臂摆杆臂10a、10b的非对称而围绕扭转弹簧11扭转。双臂摆杆10通过电路(未示出)保持在限定的电势，布置在双臂摆杆10下面的、用于测量目的的第二固定电极30、40、50保持在另一限定的电势。可以看到，双臂摆杆臂10a、10b的槽形结构，其中，在槽形结构上方布置有固定电极60。
双臂摆杆10的斜度变化借助于电子分析处理装置通过感测和分析处理电极30、40、50、60上的电荷变化来感测。以该方式可获知在z方向上作用于微机械z传感器芯100上的竖直加速度。
图3的双臂摆杆10的问题能够是：弹簧元件11与双臂摆杆10的质量中心点能够是已相对彼此移动的。以该方式，在侧面的力作用到双臂摆杆10上时产生不期望的双臂摆杆10扭转运动。以该方式，在施加横向力时可能由z传感器芯100感应到寄生加速度。
图4示出一种双臂摆杆10的横剖面图，该双臂摆杆在横向力的情况下保持水平，因为质量重心与弹簧元件11的旋转中心基本上位于同一高度。由此双臂摆杆10保持平坦并且没有信号产生。
图5示出根据图3的双臂摆杆10的结构，其中，双臂摆杆10由功能层F1至F3形成。弹簧元件11在第一功能层F1中实现。双臂摆杆10的质量重心不再如在图4的结构中那样位于层结构的一半高度。弹簧元件11的旋转中心位于第一功能层F1的中心。但是因为弹簧元件11的旋转中心与双臂摆杆10的质量重心取决于过程地可以位于不同高度，所以双臂摆杆10在横向加速度的情况下偏转并因此产生错误信号，这被称为双臂摆杆10的“横向敏感性”。
传统双臂摆杆10的另一变型在图6中示出。在该情况下，双臂摆杆10这样构型，即双臂摆杆10的底面相对于弹簧元件11对称地构造。为双臂摆杆10在竖直加速度情况下的偏转所必需的质量非对称通过双臂摆杆10的不同厚度实现。以该方式，在图6的双臂摆杆10中，横向敏感性与图5的双臂摆杆10的横向敏感性相比还更高。
图7示出双臂摆杆10的一种变型，所述双臂摆杆具有所谓的“T-弹簧”。该双臂摆杆10可以相应于图5或图6地构造。通过弹簧元件11的横梁使双臂摆杆10的旋转中心移位这样多，使得双臂摆杆10在横向加速度的情况下向另一方向偏转，这通过图7的方向箭头标明。
横向敏感性的改善可以通过图8中的已知的双臂摆杆10的结构实现。在此，由第三功能层F3中的薄弹簧和第一功能层F1中的宽弹簧的组合可以实现所谓的“i-弹簧”，所述i-弹簧具有特别有利的横向敏感性，其原因是：由此，旋转中心点与双臂摆杆10的质量中心点差不多位于同一高度。但是这种i-弹簧也不能完全抑制横向加速度对于竖直加速度探测的影响并且此外与横向很敏感的T-弹簧相比在刚性方面有缺点。
图9示出传统的、全差动的、横向敏感的微机械加速度传感器200的横剖面图，该微机械加速度传感器具有两个一致地构造的z传感器芯100，其中，在侧面作用于加速度传感器200上的力F被标明。如果以该力使加速度传感器200向左加速，则由于双臂摆杆10横向敏感，产生的扭矩会向下压大质量的双臂摆杆臂10a，由此感应到事实上根本不存在的z向加速度。
图10示出传统微机械加速度传感器200的俯视图，该微机械加速度传感器具有两对一致地构造的z传感器芯100和横向传感器芯110，其中，这两对传感器芯100、110以相同方式布置在加速度传感器200上。键合盘210设置用于将传感器芯100、110电附接在加速度传感器200的电子分析处理电路上。
为了减小加速度传感器200的横向敏感性而提出，所述两对传感器芯100、110特定地布置在加速度传感器200上，由此可以补偿微机械传感器芯100、110的横向敏感性。这以下述方式实现：分别将两个一致地构造的传感器芯100、110相对彼此旋转180°地布置在加速度传感器200上。替代地，这也可以这样实现：这两个传感器芯100、110中的一个相对于一个轴线镜像地布置，所述轴线居中地延伸穿过这两个同类型传感器芯100、110中的另一传感器芯并且与可作用于加速度传感器200上的横向力F正交地取向。
图11示出相对彼此旋转180°地或相对彼此镜像地布置在加速度传感器200上的两个传感器芯100的横剖面图。可以看到，双臂摆杆10的大质量的臂10a相互背离。在横向力作用于这两个z传感器芯100上时，以该方式使这两个z传感器芯100互补地偏转，由此由分析处理电路抵消两个z传感器芯100的两个加速度信号。由此可简单地实现加速度传感器200的横向力不敏感性。在此，弹簧元件11可以构造为T-弹簧或者i-弹簧。
图12示出根据本发明的加速度传感器200的一种实施方式的俯视图。可看到的是，在加速度传感器200的下部区域，一个z传感器芯100布置成相对于另一个z传感器芯100旋转180°。在该加速度传感器200的上部区域中，一个横向传感器芯110布置成相对于另一个横向传感器芯110旋转180°。其结果是，由此有利地提供最大程度上对横向加速度不敏感的微机械传感器模块。
图13示出横向传感器芯110的俯视图，对于该横向传感器芯，同样可实现对由于横向力造成的z向寄生加速度的补偿。该横向传感器芯110具有悬挂在弹簧111a上的震动质量111且具有固定电极120、130，该震动质量具有电极指111b，所述固定电极以不能运动的方式锚接在衬底(未示出)上。震动质量111处于电势PM，而固定电极120、130处于电势P1或P2。
在电势PM与P1以及P1与P2之间构成电容，在将外部机械加速度施加到横向传感器芯110上时，该电容变化，因为震动质量111偏转并由此使可运动的电极指111b相对于固定电极120、130的间距增大或减小。所述电容变化可以借助未示出的电子分析处理电路测量，由此可以获知施加的加速度。双箭头标明震动质量111的运动方向。
可看到两个布线平面112和113，它们处于电势P1和P2。在震动质量111围绕x方向上的旋转轴线旋转地偏转时，布线平面112与震动质量111之间的电容C1或布线平面113与震动质量111之间的电容C2变化，其中，原本不应产生信号，因为电极指111b之间的在x方向上的间距未变化。震动质量111的电极指111b的竖直移动相对于电极120、130对称地在两侧上进行并且由此应该以差动分析处理求出。
但是，在所谓的开槽的(vergrabenen)多晶硅平面中构型芯布线会有问题。除了提到的有效电容C1(在布线平面112与震动质量111之间)和C2(在布线平面113与震动质量111之间)之外，所述开槽的多晶硅平面还形成相对于外延的多晶硅平面的寄生电容，由所述外延的多晶硅平面形成震动质量111。因为在布线平面112、113中导引电势P1和P2，并且，在位于该布线平面上方的多晶硅平面中，震动质量111处于地电势PM，所以分析处理电路不能将提到的这些电势与电极指120、130之间的电容区分开，并且当布线平面112、113与震动质量111之间的寄生电容由于震动质量111围绕x轴摆动而变化时，所述分析处理电路感应到施加的横向加速度。
即，如果横向传感器芯110如标明的那样围绕x轴线旋转，则在那里P1-PM电容变得大于P2-PM电容，因为P1-PM电容具有更大的面积并且位于更外部，其原因是震动质量111在该情况下更近地靠近布线平面112、113。
横向传感器芯110的下部区域在z方向上运动，在该下部区域中，提到的两个电容变得更小，因为震动质量111离布线平面112、113更远。但是因为在这里P1位于靠近中心的位置，所以电容的下降量小于上部区域中的电容的增加量。相应地，P2相反地表现，由此P2-PM在总和上变小，由此在结果上形成已知的横向传感器芯110的横向敏感性。
通过横向传感器芯100布置成相对于一致地构造的第二横向传感器芯110错开180°，可以简单地类似于上面参照z传感器芯100所述的那样消除提到的横向敏感性。图12在上部区域中示出两个这样布置的横向传感器芯110。
在加速度传感器200的未示出的变型中有利地也可实现，加速度传感器200仅包括两个传感器芯100或仅包括两个横向传感器芯110。
图14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300中，构造至少两个一致地构造的微机械传感器芯100、110。
在第二步骤310中，构造分析处理电路，其用于分析处理所述至少两个一致地构造的传感器芯100、110的电信号，其中，这两个一致地构造的传感器芯100、110中的一个相对于一致地构造的另一个传感器芯100、110错开180度地布置在加速度传感器上，或者，其中，这两个传感器芯100、110中的一个相对于一个轴线镜像地布置，所述轴线居中地延伸穿过这两个传感器芯100、110中的另一个传感器芯并且与作用于加速度传感器200上的横向力正交地取向。
概括地说，通过本发明提供一种微机械加速度传感器，其有利地可以最大程度地补偿寄生横向敏感性。其结果是，通过一致地构造的第二微机械传感器芯以下述方式消除横向敏感性：分析处理电路借助于求平均值来均衡两个传感器芯的寄生传感器信号并由此消除所述寄生传感器信号。
有利地也可实现，将根据本发明的原理应用于其它传感器技术，例如应用于压阻式微机械加速度传感器。
尽管本发明根据具体的实施方式被描述，但是本发明并不以任何形式局限于此。专业人员可知，之前未描述或仅部分描述的多种变型都是可能的，而不会偏离本发明的核心。

Claims (4)

1.微机械加速度传感器(200)，其具有至少两个一致地构造的微机械传感器芯(100，110)，其特征在于，两个所述传感器芯(100，110)相对彼此旋转180度地布置在所述加速度传感器(200)上，或者，两个所述传感器芯(100，110)中的一个传感器芯相对于一个轴线镜像地布置，所述轴线居中地穿过所述两个传感器芯(100，110)中的另一个传感器芯延伸并且与能够作用到所述加速度传感器(200)上的横向力(F)正交地取向。
2.如权利要求1所述的微机械加速度传感器(200)，其特征在于，所述至少两个微机械传感器芯构造为z传感器芯(100)。
3.如权利要求1或2所述的微机械加速度传感器(200)，其特征在于，所述至少两个微机械传感器芯构造为横向传感器芯(110)。
4.用于制造微机械加速度传感器(200)的方法，该方法具有以下步骤：
-构造至少两个一致地构造的微机械传感器芯(100，110)；
-其中，将两个所述传感器芯(100，110)中的一个传感器芯相对于另一个传感器芯(100，110)错开180度地布置在加速度传感器上；或者
-其中，将两个所述传感器芯(100，110)中的一个传感器芯相对于一个轴线镜像地布置，所述轴线居中地穿过所述两个传感器芯(100，110)中的另一个传感器芯延伸并且与能够作用到所述加速度传感器(200)上的横向力(F)正交地取向。
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