CN107976557B - 微机械z加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种微机械z加速度传感器(100)，所述微机械z加速度传感器具有：具有扭转弹簧(20)的振动质量元件(10)；其中，所述扭转弹簧(20)具有锚固元件(21)，所述扭转弹簧(20)借助所述锚固元件(21)连接到衬底上；其中，所述扭转弹簧(20)在两端处借助在所述振动质量元件(10)的平面内垂直于所述扭转弹簧(20)构造的梁状连接元件(30)与所述振动质量元件(10)连接。

Description

微机械z加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种微机械z加速度传感器。此外，本发明涉及一种用于制造微机械z加速度传感器的方法。
背景技术
US 2008/0087085 A1公开了一种具有自由落体自测试适用性的MEMS传感器，其中，为传感器的自测试执行器设置能在三个相互正交的方向上伸缩的弹簧。
US 2010/0107763 A1公开了一种具有在相互正交的方向上解耦合的感测能力的传感器。为此目的，设置具有弹簧元件的锚固系统(Ankersystem)，该弹簧元件允许质量在x和y方向上偏转。
US 2012/0186346 A1公开了一种具有折叠式扭转弹簧的MEMS传感器。
US 2014/0331770 A1公开了一种构造用于MEMS机械结构和NEMS机械结构的旋转点的机械连接。
US 2013/0192362 A1公开了一种耐振动的加速度传感器结构。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种改善的微机械z加速度传感器。
根据第一方面，所述任务借助一种微机械z加速度传感器来解决，所述微机械z加速度传感器具有：
-具有扭转弹簧的振动(seismisch)质量元件；其中，
-扭转弹簧具有锚固元件，扭转弹簧借助该锚固元件连接到衬底上；其中，
-扭转弹簧在两端处借助在振动质量元件的平面内法向(normal)于扭转弹簧构造的梁状连接元件与振动质量元件连接。
由此，有利地实现，在高负载情况下，至少一部分机械变形能量由连接元件吸收。有利的是，由此，在微机械z加速度传感器的运行时间内可以实现扭转弹簧的更少的断裂。有利地，借助扭转弹簧到振动质量的特定连接不对xy平面内的z加速度传感器的运动特征产生不利影响。
根据第二方面，所述任务借助一种用于制造微机械z加速度传感器的方法来实现，所述方法具有以下步骤：
-构造具有扭转弹簧的振动质量元件；
-借助锚固元件将扭转弹簧固定(verankern)在衬底上；其中，
-扭转弹簧在两端处借助各一个连接元件与振动质量元件连接，其中，将连接元件在振动质量元件的平面内梁状地法向于扭转弹簧构造。
提出微机械z加速度传感器的优选实施方式。
微机械z加速度传感器的有利的扩展方案的特征在于，扭转弹簧比连接元件受限定地(definiert)更软并且连接元件比振动质量元件受限定地更软。以这种方式，将有利的刚度关系
Figure BDA0001438728870000021
提供给微机械z加速度传感器的各个元件，所述有利的刚度关系在高机械负载下实现有利的运行特性。
微机械z加速度传感器的另一种有利的扩展方案设置：连接元件的宽度是约2μm至约5μm。以这种方式实现，将连接元件构造成比扭转弹簧受限定地更刚。
微机械z加速度传感器的另一种有利的构造设置：连接元件的长度为约100μm至约200μm。以这种方式也实现，将连接元件构造得比扭转弹簧受限定地更刚。
微机械z加速度传感器的另一种有利的构造的特征在于，借助模拟方法来求取连接元件的尺寸。以这种方式，可以使用本身已知且经验证的方法来准确地确定连接元件的尺寸，例如以有限元法的形式。
微机械z加速度传感器的另一种有利的扩展方案的特征在于，扭转弹簧与连接元件之间的过渡区域受限定地以圆角(gerundet)构造。以这种方式，有利地支持微机械扭转弹簧断裂风险的最小化。
微机械z加速度传感器的另一种有利的扩展方案的特征在于，将连接元件与振动质量元件以及扭转弹簧整体地(integral)构造。以这种方式，可以将微机械学的经验证的制造工艺用于制造用于扭转弹簧的连接元件。
附图说明
以下借助多个附图以其他特征和优点详细描述本发明。附图主要用于原理性地阐述本发明并且不需要按比例(maβstabgestreu)实施。为更清楚起见可以设置，不在所有附图中标明所有附图标记。
公开的方法特征类似地由相应的公开的产品特征得出，反之亦然。这尤其表示，涉及微机械z加速度传感器的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由涉及用于制造微机械z加速度传感器的方法的相应的实施方案、特征和优点得出，反之亦然。
在附图中示出：
图1示出一种传统微机械z加速度传感器的俯视图；
图2以放大视图示出图1的布置；
图3示出所提出的微机械z加速度传感器的实施方式的俯视图；
图4示出一种用于阐述所提出的用于扭转弹簧的连接元件的工作方式的原理性的功能图(Funktionsdiagramm)；
图5示出用于制造微机械z加速度传感器的方法的原理性的流程图。
具体实施方式
具有面外(out-of Plane)探测方向(在z方向上)的传统微机械z加速度传感器通常具有可以围绕扭转轴扭转的、不对称构造的振动质量元件的双臂杆结构(“z双臂杆”)。在此，将扭转弹簧在没有位于中间的元件的情况下直接连接到振动质量元件的框架上，该扭转弹簧有助于减小机械应力。
本发明的核心构思在于，提供一种在高机械负载方面改善的微机械z加速度传感器。
图1以俯视图的形式示出用于传统微机械加速度传感器100的振动质量元件10，其中，扭转弹簧20构造为可以关于扭转轴A扭转。扭转弹簧20通过锚固元件21与下面的衬底(未示出)固定。为更清楚起见，在图1中并且也在随后的图中不示出z加速度传感器的其他所需的元件，例如探测电极、分析处理电子装置、壳体等等。
结构，由此，提供一种双臂杆结构用于z传感器元件，所述双臂杆结构通常不对称地构造，以便以这种方式在z方向上有加速的情况下实现双臂杆结构从平面的偏转，并且检测作用在z方向上的加速度。为了对坐标进行阐述，在图1中示出笛卡尔坐标系。
传统的扭转弹簧20可能会基于以下事实在大负载的情况下受损甚至在极端情况下断裂：所述传统的扭转弹簧直接地(即“硬地”)连接在振动质量元件10上。
图2示出图1的传统微机械z加速度传感器100的放大的细节视图。可以看出，扭转弹簧20直接连接到振动质量元件10的框架上。
图3示出所提出的微机械z加速度传感器100的部分区域的俯视图。可以看出，这样设置：扭转弹簧20通过梁状的连接元件30连接到振动质量元件10上。以这种方式，在振动质量元件10的侧区域中，在扭转弹簧20两端分别产生一个列状(spaltenartig)区段。为更清楚起见，在图3中仅示出扭转弹簧20的一个端部区段，其中，扭转弹簧20的另一端部以与示出的端部相同的方式连接到振动质量元件10上。
以这种方式支持，在将大的力作用到微机械z加速度传感器100上的情况下，连接元件30吸收至少一部分在此产生的机械能量并且由此相应地偏转。结果，由此，扭转弹簧20可以有利地被保护免于受到过大的负载并且因此可能防止损坏。
在图4中，在振动质量元件10的平面的方向上定性地示出截面视图。可以看出，在微机械z加速度传感器100在z方向上有大负载的情况下，梁状的连接元件30弧状地(bogenartig)偏转。
经证实，连接元件30有利的长度尺寸是约100μm至约200μm，也就是说，相对于扭转弹簧的两侧的距离分别是约50μm至约100μm。连接元件的宽度优选是约2μm至约5μm。在此，可以使用本身已知的模拟方法(例如有限元法)来准确地确定尺寸。
优选地，连接元件30的机械刚度大于扭转弹簧20的刚度并且振动质量元件10的刚度大于连接元件30的刚度。以这种方式，最软的元件代表扭转弹簧20。以这种方式，在大的力作用下(例如在具有微机械z加速度传感器的移动终端设备的情况下)支持由连接元件30均匀地接收能量。
优选地，扭转弹簧20与连接元件30之间的过渡区域31分别具有一个具有定义的半径的曲率的区段。由此，可以有利地降低扭转弹簧20与连接元件之间的机械缺口应力(Kerbspannung)并且由此减小微机械扭转弹簧20的断裂风险。
有利地，可以实现，借助通行的传统微机械方法(例如气相蚀刻)将扭转弹簧20与连接元件30以及振动质量元件10一起一体地或整体地制造。
有利地，所提出的微机械z加速度传感器可以用于汽车领域中的应用(例如用于ESP控制设备的传感器)或移动终端设备中的应用。
附图中未示出的是所提出的微机械z加速度传感器100的另一种有利的实施方式，所述另一种有利的实施方式例如具有蛇曲式
Figure BDA0001438728870000051
成形的连接元件30。以这种方式，可以将扭转弹簧20到振动质量元件10的连接构型得比在图3的布置中受限定地更软。
有利地，借助所提出的微机械质量元件10提供一种弹簧悬架
Figure BDA0001438728870000052
该弹簧悬架允许在面外方向上的更多的运动自由度。结果，由此，实现将扭转弹簧20连接到显露的、未与衬底连接的、垂直于扭转弹簧20布置的并且在振动质量元件10的平面内构造的板(Steg)或梁(Balken)上。当使振动质量元件10向上或向下运动时，借助这种“悬架装置”可以降低扭转弹簧20中的机械应力。有利地，通过扭转弹簧20到振动质量元件10的这种特定连接，不会显著减小振动质量元件10的面内刚度(In-plane-Steifigkeit)。
图5示出用于制造微机械z加速度传感器的方法的一种示意性示出的流程图。
在步骤200中，执行具有扭转弹簧20的振动质量元件10的构造。
在步骤210中，借助锚固元件21执行将扭转弹簧20固定到衬底上，其中，扭转弹簧20在两端借助各一个连接元件30与振动质量元件10连接，其中，连接元件30在振动质量元件10的平面内梁状地法向于扭转弹簧20构造。
总之，借助本发明提出了一种用于微机械z加速度传感器的有利设计。
尽管本发明已经基于优选实施方式所描述，然而并不限于此。
因此，本领域技术人员会相应地对特征进行修改并且将它们相互组合，而不偏离本发明的核心。

Claims (10)

1.一种微机械z加速度传感器(100)，其具有：
具有扭转弹簧(20)的振动质量元件(10)；其中，
所述扭转弹簧(20)具有锚固元件(21)，所述扭转弹簧(20)借助所述锚固元件(21)连接到衬底上；其中，
所述扭转弹簧(20)在两端处借助在所述振动质量元件(10)的平面内法向于所述扭转弹簧(20)构造的梁状连接元件(30)与所述振动质量元件(10)连接，其中，所述梁状连接元件(30)设置在所述扭转弹簧(20)与所述振动质量元件(10)之间，并且在所述扭转弹簧(20)的两端处分别在所述梁状连接元件(30)与所述振动质量元件(10)之间形成间隙。
2.根据权利要求1所述的微机械z加速度传感器(100)，其特征在于，
所述扭转弹簧(20)比所述连接元件(30)受限定地更软并且所述连接元件(30)比所述振动质量元件(10)受限定地更软。
3.根据权利要求1或2所述的微机械z加速度传感器(100)，其特征在于，所述连接元件的宽度是2μm至5μm。
4.根据权利要求1或2所述的微机械z加速度传感器(100)，其特征在于，所述连接元件(30)的长度是100μm至200μm。
5.根据权利要求1或2所述的微机械z加速度传感器(100)，其特征在于，借助模拟方法求取所述连接元件(30)的尺寸。
6.根据权利要求1或2所述的微机械z加速度传感器(100)，其特征在于，所述扭转弹簧(20)与所述连接元件(30)之间的过渡区域(31)受限定地以圆角构造。
7.根据权利要求1或2所述的微机械z加速度传感器(100)，其特征在于，所述连接元件与所述振动质量元件(10)以及所述扭转弹簧(20)整体地构造。
8.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的微机械z加速度传感器(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
构造具有扭转弹簧(20)的振动质量元件(10)；
借助锚固元件(21)将所述扭转弹簧(20)固定在衬底上；其中，
所述扭转弹簧(20)在两端处借助各一个连接元件(30)与所述振动质量元件(10)连接，其中，在所述振动质量元件(10)的平面内法向于所述扭转弹簧(20)梁状地构造所述连接元件(30)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，整体地构造所述连接元件与所述振动质量元件(10)以及所述扭转弹簧(20)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，比所述连接元件(30)受限定地更软地构造所述扭转弹簧(20)并且比所述振动质量元件(10)受限定地更软地构造所述连接元件(30)。
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