TWI839447B - 微機械慣性感測器 - Google Patents

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TWI839447B TW109102115A TW109102115A TWI839447B TW I839447 B TWI839447 B TW I839447B TW 109102115 A TW109102115 A TW 109102115A TW 109102115 A TW109102115 A TW 109102115A TW I839447 B TWI839447 B TW I839447B
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Abstract

一種微機械慣性感測器(100)，其具有：一基板；及一震動塊體(10)，其連接至該基板且係經設計以使得其具有偵測在第一笛卡爾座標方向(z；x)上之大致1g之低g加速度之能力；其中該震動塊體(10)進一步經設計以使得其具有偵測在至少一個第二笛卡爾座標方向(x、y；z)上之至少大致100g之高g加速度之能力。

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。此外，本發明係關於一種用於產生微機械慣性感測器之方法。
微機電加速度感測器(MEMS加速度感測器)如今用於各種應用中，例如用於汽車或消費型領域中。多種應用需要使用所謂的「低g」感測器在幾g(重力加速度的倍數)範圍內進行精確的加速度量測。此等感測器尤其用於消費型應用(智慧型電話，平板電腦等)中。在汽車領域中，除了例如用於控制車輛動力學之低g感測器之外，亦使用被稱為高g感測器之感測器，例如以便偵測出現以便觸發安全氣囊之約至少100g的加速度。
通常規定為區中之每一者分別開發單獨的感測器。低g感測器就偏移及敏感度故障而言以及就雜訊而言之效能要求典型地極高，而用於高g感測器之要求略微較低。作為優先事項，高g感測器必須提供高動態範圍，而不會產生電氣或機械限幅。
MEMS加速度感測器由懸置在彈簧上之可移動塊體及用於偵測該移動之電極組成。取決於偵測之方向，可涉及線性(例如x、y)或者旋轉移動(例如在z方向上)。德國專利第DE 10 2008 001 442 A1號揭示能夠使用個別可移動地懸置之塊體及三對電極來偵測在空間中之所有三個方向上(x、y、z)之加速度的感測器。本發明此處利用已知為z搖桿之屬性以便運用「個別」移動回應 於在空間中之所有三個方向上之加速度。在x方向上之移位產生線性移動，在y方向上之移位產生平面內旋轉，在z方向上之移位產生平面外旋轉。此配置在下文亦稱為「單塊」振盪器。然而，在實踐中，為所有三個感測方向確保同等良好的效能(例如就雜訊以及偏移及敏感度故障而言)經證明為巨大挑戰。為了改良單塊振盪器之效能，德國專利第DE 10 2012 200 740 A1號及德國專利第DE 10 2016 207 866 A1號提議固定電極之懸置以及其他特殊生產方法，例如在第二微機械層之額外輔助下。
因此，本發明的一個目標係提供一種經改良微機械慣性感測器。
根據第一態樣藉由一微機械慣性感測器實現該目標，該微機械慣性感測器具有：一基板；及一震動塊體，其連接至該基板並且係經設計以使得其具有偵測在第一笛卡爾座標方向上之大致1g之低g加速度之能力；其中-該震動塊體進一步經設計以使得其具有偵測在至少一個第二笛卡爾座標方向上之至少大致100g之高g加速度之能力。
藉此提供一種微機械慣性感測器，其具有至少一個高g通道及至少一個低g通道。該等量測敏感度藉此能夠整合在單個感測器上，從而有利地縮減加速度感測器之製造及成本花費。
根據第二態樣，該目標藉由一種產生微機械慣性感測器之方法來達成，該方法包含以下步驟：提供一基板；提供一震動塊體，其連接至該基板並且係經設計以使得其具有偵測在第一 笛卡爾座標方向上之大致1g之低g加速度之能力；其中-該震動塊體進一步經設計以使得其具有偵測在至少一個第二笛卡爾座標方向上之至少大致100g之高g加速度之能力。
該微機械慣性感測器之較佳發展為附屬請求項之申請標的。
微機械慣性感測器之一個有利的發展的特徵在於震動塊體係經設計為z搖桿，其藉助於彈簧元件及一連接元件居中連接至該基板，其中該等彈簧元件之寬度在每一狀況係在該等彈簧元件之長度之大致2%與大致5%之間。使用特定幾何量度，高g功能藉此與低g功能在感測器中組合。藉此獲得震動塊體不僅能夠偵測在z方向上且亦在x方向及y方向上之加速度的結果。
微機械慣性感測器之另一有利的發展的特徵在於自x電極至震動塊體之間隔及自y電極至震動塊體之間隔經定義為大於自配置於該基板上之z電極至震動塊體之間隔。其他幾何量度藉此經實施以便實現高g功能性與低g功能性之該組合。
微機械慣性感測器之另一有利的發展特徵在於震動塊體之橫向界限上之x電極在震動塊體之凹部中無中斷地形成，其中y電極與x電極在震動塊體之凹部中單獨地形成。單獨的電極藉此用於偵測在x方向上及在y方向上之加速度。
微機械慣性感測器之另一有利的發展的特徵在於震動塊體之橫向界限上之xy電極各自以兩部分形成於震動塊體之凹部中，其中xy電極能夠交替地在電學上交叉耦合。藉此創建替代概念，其中在x方向上及在y方向上之加速度能夠使用單組電極偵測到。該感測器藉此有利地能夠設計得更小。
微機械慣性感測器之另一有利的發展的特徵在於整個橫向界限上之震動塊體經設計成不對稱，其中在震動塊體下方，z電極在每一狀況下配置於相對於扭轉軸線位於彼此相對位置處之區處。用於偵測在x方向上之加速度之 橫向感測器藉此富含z搖桿功能性，使得因而形成低g感測器(在x方向上之偵測)及高g感測器(在z方向上之偵測)。
微機械慣性感測器之另一有利的發展的特徵在於整個橫向界限上之震動塊體之不對稱性之界限較佳地小於大致30%，較佳地大致2%至大致5%，更佳地大致10%至大致20%，甚至更佳地大致25%至大致30%。藉此提供不對稱性之合適的特定尺寸標註。
微機械慣性感測器之另一有利的發展的特徵在於整個橫向界限上之震動塊體之不對稱性之界限經設計以取決於在z方向上偵測之能力。藉此可具體地取決於待量測之加速度有利地設計震動塊體之不對稱性。
本發明藉由使用基於複數個圖之其他特徵及優點在下文中予以詳細描述。相同或功能上相同元件具有相同參考符號。圖尤其意欲說明本發明之基本原則且不一定按比例繪示。出於改良清晰性起見，在所有圖中可不指示所有參考符號。
經揭示方法特徵以與對應的經揭示器件特徵相同的方式變得顯而易見，且反之亦然。此尤其意謂關於微機械慣性感測器之特徵、技術優勢及實施以與用於產生微機械慣性感測器之方法之對應的實施、特徵及優勢相同之方式變得顯而易見，且反之亦然。
10:震動塊體
10a:額外塊體
11:固定的x電極
12:固定的x電極
13:固定的x電極
14:固定的x電極
11a:xy電極
11b:xy電極
12a:xy電極
12b:xy電極
13a:xy電極
13b:xy電極
14a:xy電極
14b:xy電極
20:固定的y電極
21:固定的y電極
22:固定的y電極
23:固定的y電極
24:固定的y電極
25:固定的y電極
26:固定的y電極
27:固定的y電極
28:固定的y電極
29:固定的y電極
30:z電極
31:z電極
40:彈簧元件
41:彈簧元件
50:連接元件
100:微機械慣性感測器
200:步驟
210:步驟
220:步驟
B:寬度
L:長度
在諸圖中：[圖1]展示經提議微機械慣性感測器之震動塊體的平面視圖；[圖2]展示在第一連接狀態中之經提議微機械慣性感測器之另一具體實例之震動塊體的平面視圖；[圖3]展示在第二連接狀態中之來自圖2之經提議微機械慣性感測器之震動 塊體的平面視圖；[圖4]展示習知的微機械慣性感測器之震動塊體的平面視圖；[圖5]展示經提議微機械慣性感測器之另一具體實例之震動塊體的平面視圖；且[圖6]展示用於產生經提議微機械慣性感測器之方法的基本序列。
「低g」在下文應理解為大致簡單的重力加速度g之加速度值，且「高g」在下文應理解為意謂為重力加速度g之至少一百倍的加速度值。
詳言之，本發明的核心概念在於將用於x方向及y方向之高g功能性整合至低g的z搖桿中，且將用於z方向之高g功能性整合至至少一個橫向感測器(x及/或y)中。
藉此尤其有利地能夠解決低g的z感測器、低g的x感測器以及y感測器之效能要求。就效能而言要求較不高之高g感測器接著能夠以相對極少工作量整合至低g感測器結構中。總體而言，因而支援組合低g及高g功能性之多軸加速度感測器之尤其緊湊的結構，且其就低g通道之可達成效能而言具體言之有利地不具有值得注意的折衷。
在增加感測器之小型化之上下文中，將低g及高g功能性彼此組合在晶片上或感測器封裝中或以儘可能少的單獨的MEMS結構產生低g及高g功能性可為有利的。在此狀況下，應不存在用於感測器之低g通道之效能折衷。
圖1示意性地展示用於x方向及y方向之高g功能性如何能夠整合至微機械慣性感測器100中。有可能看到呈z搖桿形式之震動塊體10，其經設計為低g元件，該低g元件具有用於偵測在z方向上之加速度的可撓性彈簧及大的塊體。藉助於將固定的x電極11至14及固定的y電極20......29配置在震動塊體10之 凹部中且對應地調節微機械慣性感測器之參數，諸如彈簧長度及寬度、彈簧之起點之半徑或電極間隔，有可能實現x電極及y電極之高g調諧。陰影區表示可自由移動功能平面(在下方蝕刻)至感測器基板(未說明)之連接點。此結構形成：
a)在z方向(亦即垂直於晶圓平面)上之低g慣性感測器
b)在x方向及y方向(亦即平行於晶圓平面)上之兩個高g慣性感測器
經提議慣性感測器藉助於以下修改接收在橫向方向上之高g屬性：彈簧寬度：因為彈簧寬度併入至x/y撓曲剛度中，等於三的冪並且對z通道(扭轉硬度)具有較低影響，所以彈簧元件40、41之寬度B較佳地應大於長度L之2%，亦即B/L>0.02
電極間隔：為了使用於高g功能性之慣性感測器在橫向方向上具有更大的可移位性，自x電極及y電極至震動塊體10之電極間隔d_lateral應大於可移位震動塊體10與基板之間的在z方向上之電極間隔d_vertical，因此，以下成立：d_lateral>d_vertical
重力加速度下之移位：參數塊體分佈、彈簧寬度及彈簧長度經設定成使得震動塊體10之移位在橫向方向(x或y)上應用重力加速度時比在z方向上低至少五倍(在中心點處或在z電極30、31之中心線上量測)
能夠在圖1中所說明之微機械慣性感測器100之具體實例中看見，固定的x電極11至14及固定的y電極20至29彼此單獨地形成。
因而，低g的z感測器「富含」在x方向及y方向上之高g功能性，或藉助於圖1之配置組合在慣性感測器中。藉此實現以下情形：其中震動塊體10不僅能夠在z方向上移動且亦在x方向上及在y方向上移動並且藉此能夠量測加速度值。震動塊體10在y方向上之加速度產生震動塊體10圍繞z軸(由旋轉箭頭指示)之旋轉。
在經提議微機械慣性感測器100之另一具體實例中，若xy電極11a至14b在時間上在彼此之後交叉耦合，則震動塊體10之y移動(該移動係平面內旋轉)亦可藉助於xy電極偵測到，如圖2及圖3中所說明。
圖2展示用於偵測x移動之x電極11a至14b之一連接狀態，且圖3展示用於偵測旋轉y移動之xy電極11a至14b之一連接狀態。能夠看到，圖3中之xy電極11b、12b及13b、14b之連接相較於圖2中之xy電極11b、12b及13b、14b之連接改變，此藉由由ASIC驅動之電子切換元件(未說明)來達成。
因而，藉此實現以下情形：其中在x方向上之震動塊體10之移位的狀況下及在y方向上之移位的狀況下，正確地偵測到震動塊體10與xy電極11a至14b之間的電容改變。因而，藉此能夠省掉圖1之單獨的y電極20至29，從而支援微機械慣性感測器100之更加緊湊的結構。因而，藉此有可能使用單組xy電極以偵測震動塊體在x方向上及在y方向上之移位。藉此有利地能夠以更低成本產生微機械慣性感測器100，因為需要較少電極表面。
xy電極之該切換或驅動可例如在時間多工方法中執行，使得慣性感測器能夠循環地偵測震動塊體10在x方向上及在y方向上之移位。
在經提議微機械慣性感測器100之另一具體實例中，規定用於x方向之習知的低g橫向感測器「富含」在z方向上之高g功能性。圖4展示就拓樸而言對應於德國專利第DE 10 2009 045 391 A1號之圖5的習知的低g橫向感測器之平面視圖。在此狀況下，可移動震動塊體10之中心結構居中懸置。所有固定的電極(例如11a，12a，11b，12b)在可移動震動塊體10之懸置附近同樣地配置於接近中心之區域中。在可移動震動塊體10之左邊及右邊之較大塊體區中配置兩個固定的機械止動件(未說明)，其限制震動塊體10之最大移位。
若將不平衡應用於此x慣性感測器之結構，典型地在z方向上不平衡，使得其運用平面外旋轉或俯仰移動回應於z加速度，則藉由添加z電極30、31 (例如在該感測器下方，如圖5中所指示)並且對應地調諧額外塊體10a及彈簧來獲得用於z方向之高g功能性。圖5之說明具有高度示意性，必須詳細地最佳化彈簧幾何結構及彈簧距可移動震動塊體10之懸置點之間隔以便確保震動塊體10在x方向及z方向上之不同遷移率及敏感度。
然而，經提議微機械慣性感測器100之幾何特徵可容易地自圖4與圖5之比較辯別：呈額外塊體10a形式之震動塊體10之不平衡，其用以在應用高g加速度時產生震動塊體10之擺動；配置在微機械慣性感測器100下方之Z電極30、31，其用以以差動方式偵測震動塊體10之擺動(一側向上移動，另一側向下移動)。
當然亦可想到使用根據圖1、圖2及圖3之彈簧拓樸來產生微機械慣性感測器100之xz功能性。為了將x軸組態成相較於z軸尤其敏感，必需選擇尤其長的彈簧長度，此係由於彈簧長度線性地併入至扭轉移動中(與z敏感度相關)，但對於三之冪併入至在x方向上之撓曲敏感度中。由於彈簧延伸部分而非如在圖1至圖3中之簡支梁受到某些限制(使得感測器之表面保持在有利限制內)，因此亦可使用例如呈秒形彈簧(未說明)形式之摺疊彈簧。亦藉此能夠增加彈簧之有效長度，並且能夠在x方向上而非在z方向上獲得較高靈活性。
若存在兩個低g橫向通道(x、y)且低g橫向通道中之至少一者接收額外的在z方向上之高g功能性，則此會產生：c)在x方向及y方向(亦即平行於晶圓平面)上之兩個低g感測器；d)在z方向(亦即垂直於晶圓平面)上之高g感測器。
連同a)及b)，此僅使用三個振動結構產生三通道低g慣性感測器(x、y、z)及三通道高g慣性感測器(x、y、z)。相較於不具有高g功能性之純三通道低g慣性感測器(x、y、z)，有利地僅稍微增加表面要求。該配置尤其相 比於緊鄰三通道高g慣性感測器之三通道低g慣性感測器之橫向(並排)配置大體略微較緊湊。
圖6展示用於產生經提議慣性感測器之方法的基本序列。
在步驟200中，提供基板。
在步驟210中，提供連接至該基板之震動塊體10，該震動塊體經設計使得其具有偵測在第一笛卡爾座標方向z、x上之大致1g之低g加速度的能力。
在步驟220中，震動塊體10經設計成使得其具有偵測在至少一個第二笛卡爾座標方向x、y、z上之至少大致100g之高g加速度的能力。
儘管上文已經基於特定例示性具體實例描述了本發明，但所屬領域中具通常知識者亦可產生先前尚未揭示或僅部分地揭示之具體實例，而不脫離本發明之本質。
10:震動塊體
11:固定的x電極
12:固定的x電極
13:固定的x電極
14:固定的x電極
20:固定的y電極
21:固定的y電極
22:固定的y電極
23:固定的y電極
24:固定的y電極
25:固定的y電極
26:固定的y電極
27:固定的y電極
28:固定的y電極
29:固定的y電極
30:z電極
31:z電極
40:彈簧元件
41:彈簧元件
50:連接元件
100:微機械慣性感測器
B:寬度
L:長度

Claims (9)

  1. 一種微機械慣性感測器(100)，其具有：一基板；及一震動塊體(10)，其連接至該基板且係經設計以使得其具有偵測在第一笛卡爾座標方向(z；x)上之大致1g之低g加速度之能力；其中該震動塊體(10)進一步經設計以使得其具有偵測在至少一個第二笛卡爾座標方向(x、y；z)上之至少大致100g之高g加速度之能力；其特徵在於該震動塊體(10)經設計為z搖桿，該z搖桿藉助於彈簧元件(40，41)及一連接元件(50)居中連接至該基板，且其中該震動塊體(10)圍繞該等彈簧元件(40，41)與該連接元件(50)。
  2. 如請求項1之微機械慣性感測器(100)，其中該等彈簧元件(40，41)之寬度(B)在每一狀況下係在該等彈簧元件(40，41)之長度(L)之大致2%與大致5%之間。
  3. 如請求項1或2之微機械慣性感測器(100)，其特徵在於自該震動塊體(10)至x電極(11......14)及y電極之間隔經定義為大於自配置於該基板上之z電極(30，31)至該震動塊體(10)之間隔。
  4. 如請求項3之微機械慣性感測器(100)，其特徵在於該震動塊體(10)之橫向界限上之該等x電極(11......14)在該震動塊體(10)之凹部中無中斷地形成，其中該等y電極(20......29)與該等x電極(11......14)在該震動塊體(10)之凹部中單獨地形成。
  5. 如請求項1或2之微機械慣性感測器(100)，其特徵在於該震動塊體(10)之橫向界限上之xy電極(11a......14b)各自以兩部分形成於該震動塊體(10)之凹部中，其中該等xy電極(11a......14b)能夠交替地在電學上交叉耦合。
  6. 如請求項1之微機械慣性感測器(100)，其特徵在於一整個橫向界限上之該震動塊體(10)係經設計為不對稱，其中在該震動塊體(10)下方，z電極(30，31)在每一狀況下被配置於相對於扭轉軸線而彼此位於相對位置處之區處。
  7. 如請求項6之微機械慣性感測器(100)，其特徵在於該整個橫向界限上之該震動塊體(10)之不對稱性之界限較佳地小於大致30%，較佳地大致2%至大致5%，更佳地大致10%至大致20%，甚至更佳地大致25%至大致30%。
  8. 如請求項7之微機械慣性感測器(100)，其特徵在於該整個橫向界限上之該震動塊體(10)之不對稱性之界限經設計以取決於在該z方向偵測之能力。
  9. 一種用於產生微機械慣性感測器(100)之方法，其包含以下步驟：提供一基板；提供一震動塊體(10)，其連接至該基板且係經設計以使得其具有偵測在第一笛卡爾座標方向(z；x)上之大致1g之低g加速度之能力；其中該震動塊體(10)進一步經設計以使得其具有偵測在至少一個第二笛卡爾座標方向(x、y；z)上之至少大致100g之高g加速度之能力；其中該震動塊體(10)經設計為z搖桿，該z搖桿藉助於彈簧元件(40，41)及一連接元件(50)居中連接至該基板，且其中該震動塊體(10)圍繞該等彈簧元件(40，41)與該連接元件(50)。
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