CN109205546A - 微机械传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械传感器(100)，具有：‑传感器框(10)；‑借助于至少一个弹簧元件(20)附接到所述传感器框(10)上的压力传感器芯(30)，该压力传感器芯具有压力传感器膜片(31)；和‑至少一个布置在所述弹簧元件(20)中的检测装置(21a...21d)，借助于所述检测装置能够检测所述压力传感器芯(30)的至少一个限定的几何加速度偏移。

Description

微机械传感器
技术领域
本发明涉及一种微机械传感器。本发明还涉及一种用于制造微机械传感器的方法。
背景技术
现代封装技术需要使压力传感器的呈压力传感器膜片形式的压力敏感部件借助于特定的弹簧设计与传感器的其余部件机械解耦并且由此变得不受AVT(构造和连接技术)影响。在压力传感器内部的新型趋势是，使呈压力传感器膜片形式的压力敏感部件借助于特定的弹簧设计与传感器的剩余部件机械解耦并且由此变得更精确。
使压力传感器处于机械应力(例如弯曲)下的外部影响例如是由于模制过程的机械夹紧、由具有不同热膨胀系数的多种材料的构造、由于将已构造的传感器钎焊连接在外部电路板上而产生的应力等。
下面将这种构造称为所谓的“应力解耦的压力传感器”。
例如由DE 10 2004 006 197 A1已知一种微机械压力传感器，在该微机械压力传感器中根据传感器膜片的变形测量压力差。
加速度传感器大部分通过运动的和不运动的结构之间的电容变化检测惯性质量的偏移。
发明内容
本发明的任务是，提供一种改进的微机械传感器。
根据第一方面，所述任务通过以下微机械传感器解决，该微机械传感器具有：
-传感器框；
-借助于至少一个弹簧元件附接到传感器框上的压力传感器芯，该压力传感器芯具有压力传感器膜片；和
-至少一个布置在弹簧元件中的检测装置，借助于该检测装置可检测压力传感器芯的至少一个限定的几何加速度偏移。
以该方式提供一种微机械传感器，通过该微机械传感器可获知沿三个加速度轴线中的至少一个加速度轴线的压力参数和加速度参数。以该方式，能够有利地在单个MEMS元件上实现呈组合的压力和加速度传感器形式的组合传感器。
根据第二方面，所述任务通过用于制造微机械传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：
-构造传感器框；
-构造具有压力传感器膜片的压力传感器芯，其中，压力传感器芯借助于至少一个弹簧元件附接到传感器框上；并且
-构造至少一个布置在弹簧元件中的检测装置，借助于该检测装置可以检测压力传感器芯的至少一个限定的几何偏移。
下面示出微机械传感器的优选实施方式。
微机械传感器的有利扩展方案的特征在于，所述微机械传感器具有多个检测装置，其中，借助于所述检测装置中的每个检测装置可以分别检测压力传感器芯沿一个限定的几何方向的加速度偏移。以该方式可以提供对于微机械传感器的充分分散的探测行为。
微机械压力传感器的有利扩展方案设置为，所述至少一个检测装置构造为惠斯通电桥。以该方式能够借助于惠斯通电桥的电桥电压非常精确地获知加速度偏移。
微机械传感器的另一有利扩展方案的特征在于，至少一个惠斯通电桥的一半数量的检测元件布置在传感器框上。以该方式也可以获知压力传感器芯沿y方向的加速度偏移。
微机械传感器的另一有利扩展方案的特征在于，至少一个惠斯通电桥的检测元件布置在弹簧元件的变窄区段中。以该方式能够有利地提升加速度值感测的敏感性。
微机械传感器的另一有利扩展方案的特征在于，由所获知的压力传感器芯沿限定方向的加速度值可计算出横向灵敏性。以该方式可以提供微机械传感器的关于加速度值的更高的感测精度。
微机械传感器的另一有利扩展方案的特征在于，借助于选择元件可以限定地操控惠斯通电桥。以该方式可以感测不同的加速度值并且将其分类，使得可能不需要同时通电和读取通过传感器感测的压力值。结果是，促进配备有微机械传感器的便携式设备(例如手机)的省电运行。
微机械传感器的另一有利扩展方案的特征在于，压力传感器芯借助于多个弹簧元件附接到传感器框上。以该方式，可以在每个弹簧元件中存在检测装置的情况下更精确地实施压力传感器芯的加速度偏移的感测。
附图说明
下面结合另外的特征和优点参照多个附图详细描述本发明。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其考虑用于阐释本发明基本原理并且不必按正确比例实施。出于更好的概要性可以设置为，不将所有的附图标记画到所有的附图中。
已公开的装置特征类似地由相应的方法特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于微机械传感器的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由用于制造微机械传感器的方法的相应实施方案、特征和技术优点得出，反之亦然。
在附图中示出：
图1所提出的微机械传感器的实施方式的俯视图；
图2图1的所提出的微机械传感器的区段的俯视图；
图3所提出的微机械传感器的另一实施方式的俯视图；
图4用于选择性地操控所提出的微机械传感器的检测装置的电路的方框图；和
图5用于制造所提出的微机械传感器的方法的实施方式的原理流程图。
具体实施方式
本发明的核心思想尤其是提供具有组合的压力和加速度感测的微机械传感器。
这可以在没有附加过程步骤的情况下通过将加速度传感器集成到在MEMS中应力解耦的压力传感器中来实现。
在图1中示出所提出的微机械传感器100的实施方式的简化俯视图。微机械传感器100的压力敏感部件(下面称为传感器岛或压力传感器芯30)具有压力传感器膜片31和环绕的机械稳定部(未示出)。在压力传感器膜片31上布置有呈压阻式元件或者说压阻形式的、用于感测压力传感器膜片31的变形的检测元件32。
四个检测元件32电连接成惠斯通电桥，其中，出于更好的概要性原因在图1中未示出惠斯通电桥的电导线。可看到通过仅一个单个弹簧元件20与压力传感器框10应力解耦的压力传感器芯30。
可看到四个另外的、连接成惠斯通电桥的检测元件21a...21d，这些检测元件构造在弹簧元件20上并且形成用于压力传感器芯30沿y方向的加速度的检测装置。
此外，可看出四个另外的检测元件22a...22d，这些检测元件同样构造在弹簧元件20上并且作为用于压力传感器芯30沿x方向的加速度的检测装置起作用。
为了对于检测元件21a...21d、22a...22d实现针对释放的压力传感器膜片区域的偏移的尽可能高的敏感性，将所述检测元件布置得尽可能靠近弹簧元件20的夹紧部或弯曲部(Abwinkelungen)。附加地，弹簧元件20可以在这些检测元件的位置处变窄地构造(如示出的那样)，以便以该方式在受负载时实现应力升高并且由此提升传感器100的敏感性。
优选地，各两个检测元件优选相对置地定位在弹簧元件20的变窄部上。为了高应力敏感性或偏移敏感性，检测元件优选布置得尽可能靠近弹簧元件20的边缘。
此外，可以将另两对检测元件23a...23d布置在压力传感器框10上(“piezo onsolid state”)，在那里不出现由于加速度而产生的应力变化。
通过外部的机械激励(例如在压力传感器100掉落并且撞击在地面上的情况下)，可以使压力传感器芯30非常剧烈地加速。应力解耦的压力传感器膜片区域作用为惯性机械质量，该质量在加速时偏移并且使解耦的弹簧元件20处于应力下，该应力被借助于检测元件21a...21d、22a...22d、23a...23d测量出。
结果是，可以通过多个检测元件在变窄部上的合适布置和多个变窄部的垂直布置来确定压力传感器芯30沿所有三个空间方向x、y、z的加速度。
图2示出图1的俯视图的两个部分以及具有用于表明欧姆电阻的R1...R4的惠斯通电桥。
下面的表格1示出具有由此可测量的加速度的连接选择：
表格1
在外部加速度沿y方向的情况下，两个检测元件21a、21b由于质量M的惯性受到拉应力，即相同指向的阻值变化(参看表格1的第4行)。因此，在分压器21a、21b上的电压不改变，由此该配置对于沿y方向的加速度不敏感。
而在外部加速度沿y方向的情况下，检测元件22b受到拉伸负载并且检测元件22a受到压缩负载。因此，在这里能够在合适地连接的情况下测量y加速度(参见表格1的第3行)。在这里，对于惠斯通电桥的另外两个压阻可以使用传感器框10的检测元件21c、21d，或者替代地可以使用在弹簧元件20的其他位置上的合适的检测元件(在图2中未示出)。结果是，由此能够要么通过弹簧元件20上的四个压阻要么通过在弹簧元件上的两个压阻和在传感器框10上的两个压阻实现惠斯通电桥。
表格1还示出另外的、仅示例性选择的组合，其中，也还可能是未在表格中示出的其他组合。可看出，在检测元件合适地连接的情况下也可以测量加速度的z分量。
由于横向灵敏性，可以通过以下类型的线性变换实施沿三个空间轴线的加速度的精确确定：
具有以下参数：
x、y、z 所计算的沿三个空间方向的加速度值
m1...m6 根据表格1的测量值
d11...d63 用于消除(Bereinigung)横向灵敏性的系数
替代于如上面的变换公式所示的那样实施六次测量，三次测量也足够用于计算出横向灵敏性。
由于仅存在单个弹簧元件20，对于图1和2的微机械传感器100而言有利地促进节省位置的结构形式。
图3示出所提出的微机械传感器100的另一实施方式的俯视图，该实施方式由于其对称的结构形式有利地具有关于加速度方向而言的更少的横向效应。对于图1和2所提出的阐释也有意义地适用于图3的微机械传感器的实施方式。
图4针对惠斯通电桥的供电导线示例性地示出，如何能够通过选择元件40a...40c读取或操控不同的惠斯通电桥，而为此不必将四个分别耗费位置的键合垫施加在微机械传感器100上。
可看出三个键合垫50a...50c，这些键合垫与呈已知的传输门形式的选择元件40a...40c功能连接。通过选择元件40a...40c的合适操控能够使上面所提到的惠斯通电桥中的四个惠斯通电桥按顺序被供应以供给电压VDD。在此，接触元件50a、50b作用为控制导线，其中，在接触元件50c上施加有供给电压VDD。通过选择元件40a...40c的合适操控，可以以该方式实现，将供给电压VDD按顺序施加到所述四个惠斯通电桥上。在图4中可看出，在惠斯通电桥中的供给电压实现为供给电压VDD B1...VDD B4。
以该方式，对于微机械传感器100的四个自由度(压力和三轴加速度)可以使用四个惠斯通电桥，这些惠斯通电桥可以经由仅两个控制导线共同通过四个可接通的电桥接头操控或读取。
以该方式，可以选择性地读取惠斯通电桥的电桥电压，而不必读取压力传感器信号。结果是，由此促进微机械传感器100的节省电流的运行方式。有利地，以该方式可以通过同一个ASIC前端模块读取所有四个自由度。
替代于4+3+3+3＝13个接头/键合垫(在四个惠斯通电桥共同接地的情况下)，在将用于接通为所述四个电桥中的一个电桥的串联的选择元件集成到接头/键合垫上的情况下有利地仅需要4+2＝6个接头/键合垫。
有利地，以该方式能够在非常高的加速度、例如在微机械传感器撞击在地面上的情况下实现对压力传感器错误信号的抑制。
加速度传感器尤其能够在运动时唤醒压力传感器或者在非常高的加速度的情况下实现压力传感器错误信号的抑制。
有利地，相对于不具有加速度测量功能的应力解耦的压力传感器，为了制造所提出的微机械传感器100不需要附加的过程步骤。
通过将检测元件布置到(关于x/y的)中轴线中、即例如布置到弹簧元件20中间或者布置到弹簧元件的夹紧部附近，对于压力传感器芯30例如也可以仅测量沿z方向的加速度分量。
在未在图中示出的变型方案中，也可以替代地使用多个弹簧元件以使释放的压力传感器膜片区域悬置。在此，一个或多个弹簧元件20可以从传感器框10出发朝着释放的压力传感器膜片区域的方向分成更多的弹簧元件和/或合并成更少的弹簧元件。
替代于将压阻连接成固定限定的惠斯通电桥并且操控这些不同的电桥，也可以借助于呈传输门形式的选择元件将压阻灵活地共同连接成单个惠斯通电桥并且读取该惠斯通电桥，使得可以更简单地实施上面提到的至少三个或四个测量。
替代于沿x、y、z的三个加速度通道，也可以仅测量单个加速度参量，该加速度参量与所有加速度方向相结合，从而这一个通道可以用于微机械传感器的接通/关断。
图5示出用于制造所提出的微机械传感器100的方法的原理流程图。
在步骤200中构造传感器框10。
在步骤210中构造具有压力传感器膜片31的压力传感器芯30，其中，压力传感器芯30借助于至少一个弹簧元件20附接到传感器框10上。
在步骤220中构造至少一个布置在弹簧元件20中的检测装置，借助于该检测装置可以检测压力传感器芯30的至少一个限定的几何偏移。
本领域技术人员也可以实现本发明的在前未公开或仅部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。

Claims (9)

1.微机械传感器(100)，具有：
-传感器框(10)；
-借助于至少一个弹簧元件(20)附接到所述传感器框(10)上的压力传感器芯(30)，该压力传感器芯具有压力传感器膜片(31)；和
-至少一个布置在所述弹簧元件(20)中的检测装置(21a...21d)，借助于所述检测装置能够检测所述压力传感器芯(30)的至少一个限定的几何加速度偏移。
2.根据权利要求1所述的微机械压力传感器(100)，具有多个检测装置(21a...21d)，其特征在于，借助于所述检测装置(21a...21d)中的每个检测装置能够分别检测所述压力传感器芯(30)沿一个限定的几何方向的加速度偏移。
3.根据权利要求1或2所述的微机械传感器(100)，其特征在于，所述至少一个检测装置(21a...21d)构造为惠斯通电桥。
4.根据权利要求3所述的微机械传感器(100)，其特征在于，至少一个惠斯通电桥的一半数量的检测元件布置在所述传感器框(10)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微机械传感器(100)，其特征在于，至少一个惠斯通电桥的检测元件布置在所述弹簧元件(20)的变窄区段中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械传感器(100)，其特征在于，由所获知的所述压力传感器芯(30)沿限定方向的加速度值能够计算出横向灵敏性。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的微机械传感器(100)，其特征在于，借助于选择元件(40a...40c)能够限定地操控所述惠斯通电桥。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器(100)，其特征在于，所述压力传感器芯(30)借助于多个弹簧元件(20)附接到所述传感器框(10)上。
9.用于制造微机械传感器(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
-构造传感器框(10)；
-构造具有压力传感器膜片(31)的压力传感器芯(30)，其中，所述压力传感器芯(30)借助于至少一个弹簧元件(20)附接到所述传感器框(10)上；并且
-构造至少一个布置在所述弹簧元件(20)中的检测装置，借助于所述检测装置能够检测所述压力传感器芯(30)的至少一个限定的几何偏移。
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