用于加速度传感器的微机械结构制造技术

用于加速度传感器(200)的微机械结构(100)，所述微机械结构具有：振动质量(10)，该振动质量相对于所述加速度传感器(200)的结构(100)的z旋转轴(A)而言限定地不对称地构造；弹簧元件(20、20’、21、21’)，该弹簧元件固定在所述振动质量(10)和至少一个固定元件(30)上；其中，基本上只有在基本上正交于所述z旋转轴(A)构造的平面内沿限定的感测方向加速时，才能够借助所述弹簧元件(20、20’、21、21’)产生所述振动质量(10)的旋转运动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于加速度传感器的微机械结构。本专利技术还涉及一种用于制作用于加速度传感器的微机械结构的方法。
技术介绍
在现有技术中公知例如针对在汽车领域或者消费品领域中的应用而批量生产制造的电容式微机械加速度传感器。尤其在汽车领域中的一大挑战是以尽可能耐振的方式设计此类传感器。出于该原因，对于微机械加速度传感器希望实现一种传递函数，该传递函数使有效频带(典型带宽约为10-400Hz)范围中的低频率“平滑地”传递，并且使由于意外激励所引起的较高频率得到有效抑制。为了抑制高偏移幅值，通常以好几百毫巴的较高内压力将加速度传感器密封封装在传感器空腔中，为此常常使用具有高粘度的气体，例如氖气。封闭的气体导致微机械结构的高阻尼。所述传感器大多数是过阻尼，以至于即使在典型的几千赫兹的机械本征频率f0范围内也不会出现共振增强。因此阻尼会引起机械低通特性，然而仅相对弱地形成最大每十倍频程20dB的幅值抑制。在本征频率上方可得到以每十倍频程40dB的传递函数更陡峭的下降。因此为了提高抗振性所期望的是，设计一种本征频率尽可能低的传感器，例如1kHz或者更低。但是在根据现有技术的横向加速度传感器(即具有平行于芯片平面的感测灵敏度)中，该愿望受到严格的限制。可以将这些传感器简化描述为弹簧质量系统，它的偏移量可以根据胡克定律通过公式：m*a＝k*x(1)计算出来，其中，m...质量a....加速度k....弹簧常数x....偏移量对于偏移量x可得到：x＝m*a/k(2)或者在以本征频率f0变换后得到：x＝a/(4*π2*f02)(3)即，偏移幅值x在本征频率减小时呈平方关系增大。用于测量范围为几个g用于所谓的低g应用(例如用于ESP或者坡道起步辅助)的典型传感器具有3kHz的本征频率，并且在1g加速度的情况下偏移大约28nm。在具有1kHz本征频率的传感器中，该值已增大到大约250nm。因为加速度传感器即使在低g应用中也必须具有20g或者甚至50g的动态范围或者说耐过载性(即，不应有机械撞击或者“冲击”)，所以具有50g冲击加速度的此类加速度传感器必须允许大于12μm的偏移。在电容式加速度传感器的运动和固定电极之间的通常使用的平板电容器组件中的典型间隙或者说缺口只有大约2μm。在间隙扩大到12μm的情况下，单电极的灵敏度大约以系数36下降，因为灵敏度dC/dx与间隙为平方反比关系。此外，在相同面上只能实现明显更少的电极，使得总灵敏度甚至还更多地下降，从而使信噪比差到无法容忍的地步。板状电极的一种替代方案是所谓的梳状电极，例如由DE102006059928A1公知，在该梳状电极中可能有更大的偏移量。然而梳状电极的阻尼力小得多，以至于可能不能实现超临界阻尼传感器。此外，所需的高偏移量对于弹簧设计也是难以把控的挑战，因为弹簧不仅在驱动方向上变得柔软，而且也在横向方向上意外地明显丧失刚度和抗过载性。本征频率和机械灵敏度的强制关系使得微机械横向加速度传感器的共振频率降低可能性受到相当严格的限制。由EP0244581B1和EP0773443B1还公知根据翘板原理工作的z加速度传感器。z翘板的优点在于，不存在本征频率和机械灵敏度的强制关系。即，传感器的本征频率f0取决于弹簧的抗扭刚度kt和翘板围绕旋转轴的转动惯量J，关系式如下：f02＝[1/(2*π)2]*kt/J(4)机械灵敏度，即单位加速度a的转角α尽管同样通过弹簧的抗扭刚度kt得出，但是还通过质量不对称度δm和由此而产生的扭矩得出：δα/da～δm*rm/kt(5)δα/da...机械灵敏度δm...质量不对称度rm...不对称质量的质心与扭轴的距离kt...弹簧的抗扭刚度通过减小抗扭刚度kt或通过提高翘板的总转动惯J降低本征频率f0。如果同时减小传感器的质量不对称度δm，则传感器的机械灵敏度一定程度上仍然可以保持任意小，因此在传感器的设计中不必预留大的运动自由度。在DE102006032194A1中描述了这种使用z翘板作为机械低通的原理。此外公知了同时作为x和y横向加速度传感器起作用的z翘板，例如由DE102008001442A1公知，这里公开了所谓的“单质量振子”。这些传感器的优点是它们非常紧凑的结构：仅利用唯一的振动质量和两个弹簧就可以实现三通道加速度传感器，不仅可在z加速度的情况下实施围绕y轴的普通旋转运动，而且也可在x加速度的情况下沿x方向的线性偏移，并且在y加速度的情况下以围绕z轴旋转应对。在y感测时利用相对于旋转轴的质量不对称度，并且类似于z翘板的作用原理，机械灵敏度和围绕z轴的本征频率并不严格相关。当然如果只想要实现单通道横向传感器，例如单纯的y传感器，则常见的单质量振子的设计不是最佳的，因为结构可以向着所有空间方向偏移，因此，在存在扰动加速度的情况下可以向着两个垂直于有效方向的方向提供意外的信号(串扰)，尤其在结构机械冲击或撞击而出现很强过载的情况下。
技术实现思路
因此，本专利技术的任务在于，为横向加速度传感器提供改善的微机械结构。根据第一方面，该任务通过用于加速度传感器的微机械结构解决，所述微机械结构具有：-振动质量，该振动质量相对于加速度传感器结构的z旋转轴而言限定地不对称地构造；-弹簧元件，该弹簧元件固定在振动质量和至少一个固定元件上；-其中，基本上只有在基本上正交于z旋转轴构造的平面内沿限定的感测方向加速时，才能够借助弹簧元件产生振动质量的旋转运动。由此的结果是，当微机械结构向着设置方向横向加速时，基本上仅允许围绕限定旋转轴的一个旋转自由度。根据第二方面所述，该任务通过用于制作用于加速度传感器的微结构的方法解决，所述方法具有步骤：-构造振动质量，该振动质量具有相对于结构z旋转轴而言限定的不对称；-如此构造弹簧元件，使得弹簧元件固定在振动质量和至少一个固定元件上，其中，基本上只有在正交于z旋转轴构造的平面内沿限定的感测方向加速时，才能够借助弹簧元件产生振动质量的运动。根据本专利技术的结构和根据本专利技术的方法的优选扩展方案是从属权利要求的主题。所述结构的优选扩展方案的特征在于，将至少一个固定元件布置在z旋转轴中或者相对于结构的横向尺寸而言布置得靠近z旋转轴。以这种方式有利地促进微机械结构的设计多样性。微机械结构的另一个有利扩展方案设置为，将四个弹簧元件相互以大约90度的角度布置。以这种方式能够在不感测的加速方向上产生特别有利的传感器刚度特性。所述结构的另一个有利扩展方案的特征在于，通过第一附加质量产生振动质量的不对称度。借助于附加质量可以限定地改变结构的机械灵敏度，其中，附加质量有利地仅略微改变转动惯量。所述结构的另一个有利扩展方案的特征在于，弹簧元件与它的宽度相比较高地构造。以这种方式可以尤其有利地防止振动质量的蹦床模式，因为弹簧元件在这种模式下受到弯曲，并且弹簧厚度与弹簧刚度为三次方关系。所述结构的另一个实施方式设置为，弹簧元件具有大于五的高宽比，因此可沿旋转轴方向关于偏移敏感度而言产生有利的弹簧元件尺寸。微机械结构的有利扩展方案设置为，至少一个固定元件和电极的固定元件相对于结构的表面尺寸而言相互靠近布置。所述结构的另一个有利扩展方案的特征在于，至少一个固定元件和电极的固定元件以小于结构的最大侧面尺寸的大约20％的间距相互间隔开。这促进了常见本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于加速度传感器(200)的微机械结构(100)，所述微机械结构具有：‑振动质量(10)，该振动质量相对于所述加速度传感器(200)的结构(100)的z旋转轴(A)而言限定地不对称地构造；‑弹簧元件(20、20’、21、21’)，该弹簧元件固定在所述振动质量(10)和至少一个固定元件(30)上；‑其中，基本上只有在基本上正交于所述z旋转轴(A)构造的平面内沿限定的感测方向加速时，才能够借助所述弹簧元件(20、20’、21、21’)产生所述振动质量(10)的旋转运动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.17 DE 102014202819.11.用于加速度传感器(200)的微机械结构(100)，所述微机械结构具有：-振动质量(10)，该振动质量相对于所述加速度传感器(200)的结构(100)的z旋转轴(A)而言限定地不对称地构造；-弹簧元件(20、20’、21、21’)，该弹簧元件固定在所述振动质量(10)和至少一个固定元件(30)上；-其中，基本上只有在基本上正交于所述z旋转轴(A)构造的平面内沿限定的感测方向加速时，才能够借助所述弹簧元件(20、20’、21、21’)产生所述振动质量(10)的旋转运动。2.根据权利要求1所述的微机械结构(100)，其特征在于，所述至少一个固定元件(30)布置在z旋转轴(A)中或者与相对于所述结构(100)的横向尺寸而言布置得靠近所述z旋转轴。3.根据权利要求1或2所述的微机械结构(100)，其特征在于，四个弹簧元件(20、20’、21、21’)相互以大约90度的角度布置。4.根据权利要求1到3中任一项所述的微机械结构(100)，其特征在于，通过第一附加质量(50)产生所述振动质量(10)的不对称。5.根据权利要求1到4中任一项所述的微机械结构(100)，其特征在于，所述弹簧元件(20、20’、21、21’)与它们的宽度(b)相比较高地构造。6.根据权利要求5所述的微机械结构(100)，其特征在于，所述弹簧元件(20、20’、21、21’)具有大于五的高宽比。7.根据上述权利要求中任一项所述的微机械结构(100)，其特征在于，所述至少一个固定元件(30)和电极(F...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·克拉森，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE