TW202014707A - 微機械慣性感測器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種微機械慣性感測器（100），其具有： 一基板（10）； 至少兩個相同的z軸感測器芯（20，30），其各自具有一可移動的不對稱震動塊體（21a，21b，31a，31b），其中該等可移動的不對稱震動塊體（21a，21b，31a，31b）各自可繞一扭轉軸線（22，32）扭轉； 該微機械慣性感測器之特徵在於，該兩個z軸感測器芯（20，30）係安置於該基板（10）上，彼此偏移180°。

Description

微機械慣性感測器

本發明係關於一種微機械慣性感測器。本發明進一步係關於一種用於生產一微機械慣性感測器之方法。

通常，已知的微機械加速度感測器或慣性感測器具有MEMS結構。

以此方式製造之可移動MEMS結構（震動塊體）通常用另一製程序列而藉由蓋晶圓密封。取決於應用，合適的內部壓力包括於由此密封之體積中，其中密封通常係藉由密封玻璃接合製程或藉由共晶接合製程（例如，使用AlGe）獲得。

為了用此類生產製程來製造z軸加速度感測器，在微機械功能層中形成搖臂結構，該搖臂結構藉由扭轉彈簧而錨定於基板上。搖臂結構之質量分佈經不對稱地形成，其中兩個電極表面配置於搖臂結構下方以便能夠以電容方式計量地記錄搖臂結構之任何偏轉。

此配置之缺點為以此方式形成之搖臂經受熱偏移效應，其可對搖臂施加單向力。尤其在熱擴散非常明顯使得兩個搖臂側經受不同熱影響的狀況下係如此。只要熱隔離在低質量側及高質量側不同，在高質量側及低質量側上對z軸搖臂之傳統最佳化便無法消除此問題。

若z軸慣性感測器上存在豎直溫度梯度，則感測器中產生輻射量測效應。來自冷側之氣體原子的速度低於來自熱側之氣體原子的速度，其中由於速度不同之此等原子與可移動塊體之碰撞，對可移動塊體施加力。

上文所描述之具有不對稱搖臂的已知z軸慣性感測器對氣體動態的反應非常強烈，諸如，此反應呈搖臂之不合需要的偏轉之形式。對稱搖臂亦會對溫度梯度作出反應。此情形之原因為，搖臂之輕側與重側之間的穿孔之層厚度不同，由此在彼處發生產生力的氣體原子之不同動量傳送。

對於所定義之內部壓力及目標溫度，可調整特定穿孔之大小使得兩側達到平衡。然而，每一溫度或壓力改變皆會使z軸慣性感測器再次失去平衡。

因此，本發明之一目標為提供一種微機械慣性感測器，同時避免前述缺點。

根據一第一態樣，該目標係藉由一種微機械慣性感測器達成，該微機械慣性感測器具有： -    一基板； -    至少兩個相同的z軸感測器芯，其各自具有一可移動的不對稱震動塊體，其中該等可移動的不對稱震動塊體各自可繞一扭轉軸線扭轉； -    該微機械慣性感測器之特徵在於，該兩個z軸感測器芯係安置於該基板上，彼此偏移180°。

以此方式，提供一微機械初始感測器，其可在z方向上進行感測。因為該兩個感測器芯之180°偏移配置，可對感測器信號進行一較佳評估，此係因為可消除或至少大大減少對在一輻射量測效應中之該震動塊體具有一不利影響的熱流。以此方式，可有利地補償一偏移誤差及/或旋轉效應。

根據一第二態樣，該目標係藉由一種用於生產一微機械慣性感測器之方法達成，該方法具有以下步驟： -    提供一基板； -    在該基板上提供至少兩個相同的z軸感測器芯，其各自具有一可移動的不對稱震動塊體，其中該等可移動的不對稱震動塊體可各自以可繞一扭轉軸線扭轉之一方式安置，其中該兩個z軸感測器芯係安置於該基板上，彼此偏移180°。

該微機械慣性感測器之較佳發展形成附屬項之標的。

該微機械慣性感測器之一有利發展的特徵在於，其另外具有兩個x軸感測器芯及/或兩個y軸感測器芯。以此方式，提供一微機械初始感測器，其可在所有笛卡爾座標x、y、z中進行感測。

該微機械慣性感測器之另一有利發展的特徵在於，該等感測器芯之至少一個部分的輸出信號彼此分開地被向外傳遞。以此方式，一電子評估電路可根據一完全差分概念由來自該等感測器芯之信號控制。該微機械慣性感測器之另一有利發展的特徵在於，該等感測器芯之至少一個部分的輸出信號在該感測器核心內被捆束且以捆束方式向外傳遞。以此方式，實施所謂的單端概念。此係藉由已佈線於該微機械慣性感測器內且作為一單一信號向外傳遞至該電子評估電路的感測器信號及纜線來達成。

該微機械慣性感測器之其他有利發展提供該微機械慣性感測器為一加速度感測器或一橫擺率感測器（yaw rate sensor）。以此方式，不同感測應用可有利地由該微機械慣性感測器涵蓋。

下文藉助於三個圖運用其他特徵及優點詳細地描述本發明。在諸圖中，相同或功能相同的元件具有相同的參考編號。特定而言，諸圖意欲闡明本發明之基本原理且未必按比例展示。為了更清楚起見，可規定未將所有參考編號鍵入所有圖中。

所揭示之方法特徵類似地自所揭示之對應裝置特徵產生，且反之亦然。特定而言，此意謂與用於生產微機械慣性感測器之方法有關的特徵、技術優點及具體實例以類似方式自與微機械慣性感測器有關之對應具體實例、特徵及優點產生。

特定而言，本發明之中心想法在於，提供一種對輻射量測效應顯著不敏感之微機械慣性感測器。

圖1展示所提議之微機械慣性感測器100之第一具體實例的基本平面圖。

此圖展示例如呈電路板之形式的基板10，第一z軸感測器芯20及相同的第二z軸感測器芯30係安置於該基板上，較佳焊接於該基板上。兩個z軸感測器芯20、30係安置於基板10上，彼此偏移180°，其中兩個感測器芯20、30各自具有不對稱地形成的震動塊體。就此而言，第一z軸感測器核心20之不對稱震動塊體的高質量部分21a及低質量部分21b可繞扭轉軸線22扭轉。第二z軸感測器核心30之震動塊體的高質量部分31a及低質量部分31b可繞扭轉軸線32扭轉。提供兩個z軸感測器芯20、30以記錄其震動塊體在z方向上之偏轉。

展示第一熱流WF1之方向，該熱流在y方向上作用於具有兩個z軸感測器芯20、30之基板10上。由於熱梯度沿著熱流WF1之方向由熱流WF1引起，由例如電子評估電路（圖中未示）之連接接腳（圖中未示）的不同溫度引起，因此兩個z軸感測器芯20、30之震動塊體的高質量部分及低質量部分經受相同溫度，且藉此補償彼此。此係藉由熱流WF1引起之溫度梯度來達成，該熱流以相同方式影響震動塊體之高質量部分及低質量部分。

亦指示在x方向上作用於兩個z軸感測器芯20、30上之第二熱流WF2。在此狀況下，在僅存在單一z軸感測器核心20、30之情況下，由於熱流引起之溫度梯度，震動塊體之低質量部分及高質量部分將具有不同溫度，由此產生熱偏移效應（「輻射量測效應」），其使震動塊體偏轉且因此產生個別z軸感測器核心20、30之不合需要的量測信號。

輻射量測效應係由於在空隙或空腔中發生能量傳送而產生，該等震動塊體係圍封於空隙或空腔中處於所定義之氣體壓力下，由此，在空隙內移動之氣體粒子引起力效應或震動塊體之不合需要的偏轉。

因此，提議在基板10上安置或在微機械製程中製造第二z軸感測器核心30，與第一z軸感測器核心20偏移180°，由此補償或至少減少熱流WF2之前述不利效應。圖1中所指示之兩個熱流WF1、WF2的方向僅被視為實例，其中具有所得輻射量測效應之所有熱流的效應可藉由基板10上之z軸感測器芯20、30的根據本發明之配置來補償。

此使得能夠消除或至少大大減少由於熱流引起之輻射量測效應，且z軸感測器芯20、30之z軸搖臂結構的偏轉僅由機械力引起。

結果，所提議之微機械慣性感測器100有利地亦對基板10之彎曲較不敏感，該彎曲在例如當慣性感測器100置放於基板10上（例如，膠合於基板上等）且以此方式曝露於溫度波動或機械應力時發生。在所提議之微機械慣性感測器100中，亦可有利地消除或至少大大減少所謂的流入漂移，亦即，基於熱源產生且藉此不利地影響系統之按時間順序的信號改變。所陳述之流入漂移可例如藉由行動終端裝置（例如，行動電話）中之功能強大的微電腦產生，該微電腦產生取決於其上運行之應用程式而隨時間改變的熱量，該熱量不利地作用於敏感的微機械結構上。

結果，可藉此明顯地改良所提議之微機械慣性感測器100的偏移行為。

圖2展示所提議之微機械慣性感測器100之另一具體實例的平面圖。在此狀況下，除兩個所陳述之z軸感測器芯20、30以外，呈兩個相同的x軸感測器芯40、50（用於x軸通道）及兩個相同的y軸感測器芯60、70（用於y軸通道）之形式的側向感測器芯亦被安置於基板10上或在微機械製程中製造。以此方式，對於所有笛卡爾座標x、y、z，可有利地製造呈橫擺率感測器及/或加速度感測器之形式的微機械慣性感測器100。所陳述之額外側向感測器芯彼此在基板10上的幾何對準在此處為任意的。

圖2進一步展示總計二十個連接接腳80a……80n，藉由該等連接接腳，電子評估電路（例如，呈ASIC之形式，圖中未示）連接至感測器芯，且評估感測器芯20、30、40、50、60、70之信號。此處可規定，來自指派給彼此之至少兩個感測器芯20、30、40、50、60、70（亦即，x軸通道及/或y軸通道及/或z軸通道之感測器芯）的信號已在微機械慣性感測器100內連接，且僅藉由例如在80a……80n之範圍內的三個連接接腳（每一感測方向一個連接接腳）（英語：單端）向外傳遞。

替代地，亦可規定，來自指派給彼此之至少兩個感測器芯20、30、40、50、60、70的信號在每一狀況下係藉由專用的連接接腳80a……80n來向外傳遞，由此實施完全差分感測器原理。

特定而言，所應用之感測器原理的種類在此處取決於用於微機械慣性感測器100之電子評估電路的類型。

圖3展示用於生產微機械慣性感測器100之所提議方法的基本序列。

在步驟200中，提供基板10。

在步驟210中，在基板10上提供至少兩個相同的z軸感測器芯20、30，其各自具有可移動的不對稱震動塊體21a、21b、31a、31b，其中可移動的不對稱震動塊體21a、21b、31a、31b可各自以可繞扭轉軸線22、32扭轉之方式形成，其中兩個z軸感測器芯20、30係安置於基板10上，彼此偏移180°。

顯然，步驟210之子步驟的順序亦可以適當方式調換。

總而言之，本發明提議一種微機械慣性感測器，其在熱偏移誤差及/或旋轉振動偏移誤差及/或由於基板彎曲引起之偏移誤差方面進行了最佳化。

儘管上文使用特定例示性具體實例描述了本發明，但在不脫離本發明之核心的情況下，熟習此項技術者可實施上文未揭示或僅部分揭示之具體實例。

無

圖1展示所提議之微機械慣性感測器之第一具體實例的基本平面圖； 圖2展示所提議之微機械慣性感測器之第二具體實例的平面圖；及 圖3展示用於生產所提議之微機械慣性感測器之方法的基本序列。

Claims (10)

1. 一種微機械慣性感測器（100），其具有： 一基板（10）； 至少兩個相同的z軸感測器芯（20，30），其各自具有一可移動的不對稱震動塊體（21a，21b，31a，31b），其中該等可移動的不對稱震動塊體（21a，21b，31a，31b）各自可繞一扭轉軸線（22，32）扭轉； 該微機械慣性感測器之特徵在於，該兩個z軸感測器芯（20，30）係安置於該基板（10）上，彼此偏移180°。
2. 如請求項1所述之微機械慣性感測器（100），其亦具有兩個x軸感測器芯（40，50）及/或兩個y軸感測器芯（60，70）。
3. 如請求項2所述之微機械慣性感測器（100），其中該等感測器芯（20，30，40，50，60，70）之至少一個部分的輸出信號彼此分開地被向外傳遞。
4. 如請求項2所述之微機械慣性感測器（100），其中該等感測器芯（20，30，40，50，60，70）之至少一個部分的輸出信號在該慣性感測器（100）被捆束且以捆束方式向外傳遞。
5. 如請求項1至4中任一項所述之微機械慣性感測器（100），其中該微機械慣性感測器（100）為一加速度感測器或一橫擺率感測器。
6. 一種用於生產一微機械慣性感測器（100）之方法，其具有以下步驟： 提供一基板（10）； 在該基板（10）上提供至少兩個相同的z軸感測器芯（20，30），其各自具有一可移動的不對稱震動塊體（21a，21b，31a，31b），其中該等可移動的不對稱震動塊體（21a，21b，31a，31b）可各自以可繞一扭轉軸線（22，32）扭轉之一方式形成，其中該兩個z軸感測器芯（20，30）係安置於該基板（10）上，彼此偏移180°。
7. 如請求項6所述之方法，其中兩個x軸感測器芯（40，50）及/或兩個y軸感測器芯（60，70）亦安置於該基板（10）上。
8. 如請求項6或7所述之方法，其中來自指派給彼此之至少兩個感測器芯（20，30，40，50，60，70）的信號在該微機械慣性感測器（100）內連接且被向外傳遞。
9. 如請求項6至8中任一項所述之方法，其中來自指派給彼此之至少兩個感測器芯（20，30，40，50，60，70）的信號分開地被向外傳遞。
10. 一種微機械慣性感測器（100）之用途，其用作一橫擺率感測器或用作一加速度感測器。

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