具有弹力平衡的加速度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种加速度传感器(100)，包括：传感器质量块(120)，其借助弹簧元件(130)沿运动轴线(x)可动地支承在基板(110)上；第一微调电极(140)，其与传感器质量块(120)连接；和第二微调电极(150)，其与基板(110)连接并且配置给第一微调电极(140)。在此在传感器质量块沿运动轴线偏移时通过弹簧元件(130)产生作用于传感器质量块(120)的弹力并且在传感器质量块(120)偏移时通过在第一微调电极(140)和第二微调电极(150)之间施加微调电压产生作用于传感器质量块(120)的静电力，该静电力反作用于弹力。

Acceleration sensor with elastic balance

The present invention relates to an acceleration sensor (100), including: sensor mass (120), the spring element (130) along the axis of motion (x) movably supported on the substrate (110); the first electrode (140), the fine and the quality of sensor block (120) and second micro electrode connection; (150), and the substrate (110) connected to the first electrode configuration and tuning (140). Through the spring element in the sensor mass along the axis of motion offset (130) effect on the quality of sensor block (120) and in the elastic sensor mass block (120) is offset by the first trimming electrode (140) and second (150) trimming electrode is applied between the micro adjustable voltage effect on the sensor mass (120) the static electricity, the static electricity effect on elastic.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有弹力平衡的加速度传感器
本专利技术涉及一种具有弹力平衡的加速度传感器。
技术介绍
在不同应用中使用加速度传感器来测量加速度。在此质量元件常常借助弹簧元件支承在基板上，在出现加速度时测量质量元件的偏移。为了提高对于加速度的灵敏度，希望尽可能减小弹簧的弹簧刚度，同时又不改变其它特性、如针对横向加速度的耐冲击性或灵敏度。但减小却受到所使用制造技术的限制并且通常已到达极限。
技术实现思路
本专利技术所基于的任务在于提供一种具有低有效弹簧刚度或弹簧硬度的加速度传感器。所述任务通过独立权利要求的技术方案来解决。扩展方案通过从属权利要求定义。加速度传感器包括：传感器质量块，其借助弹簧元件沿运动轴线可动地支承在基板上；第一微调电极，其与传感器质量块连接；和第二微调电极，其与基板连接并且配置给第一微调电极。在此在传感器质量块沿运动轴线偏移时通过弹簧元件产生作用于传感器质量块的弹力并且在传感器质量块偏移时通过在第一微调电极和第二微调电极之间施加微调电压产生作用于传感器质量块的静电力，该静电力反作用于弹力。通过第一和第二微调电极之间的微调电压，在传感器质量块偏移时不仅产生作用于传感器质量块的弹力而且也产生反作用于弹力的静电力。由于反作用的静电力总是在弹力产生时产生，因此这两个力平衡，从而系统的有效弹簧常数——其由弹簧元件的弹簧常数和微调电极对的弹簧常数组成——可通过调节微调电压自由地调节。在没有微调电压时，通过弹簧元件产生的弹力逆着偏移方向向回推动传感器质量块。通过微调电压可减小并且例如完全消除该回复力。这相应于这样的系统，在其中传感器质量块通过无弹簧刚度的弹簧元件与基板连接。将微调电压提高超越完全平衡导致具有负弹簧常数的系统、即这样的系统，其在传感器质量块偏移时不再返回静止位置中，而是继续沿偏移方向偏移。因此可通过在微调电极对之间施加微调电压任意调节基板－弹簧元件－传感器质量块－系统的弹簧刚度。加速度传感器可包括与传感器质量块连接的传感器电极和与基板连接并且配置给传感器电极的检测电极。在此传感器质量块沿运动轴线的偏移可通过传感器电极和相配的检测电极之间的检测电压或作用于其的电荷的变化来确定。由此可控制具有可自由调节的弹簧硬度的加速度传感器并且读取由加速度传感器测得的加速度。传感器电极的一部分可构造为第一微调电极并且构造为第一微调电极的传感器电极和第二微调电极之间的微调电压可以阻尼传感器质量块的偏移。由此为加速度传感器的一部分电极分配多个任务，由此加速度传感器可构造得更加紧凑。通过将一部分传感器电极用作第一微调电极，可避免在传感器质量块上设置附加的第一微调电极。第一微调电极可对称于垂直于运动轴线的对称轴线设置在传感器质量块上并且第二微调电极可对称于垂直于运动轴线的对称轴线设置在基板上。通过这种完全对称设计的微调电极布置，只要传感器质量块未偏移，就不会产生作用于传感器质量块的合力。由此确保第一和第二微调电极的存在不会偏倚加速度传感器的读取，而是仅用于自由调节加速度传感器的弹簧硬度。此外，通过这种布置可降低制造公差的影响。由第一微调电极和第二微调电极产生的静电力可等于由弹簧元件产生的弹力。由此确保即使在传感器质量块偏移时没有使传感器质量块回复到初始位置中的力有效作用于传感器质量块。因此传感器质量块可借助可能存在的激励电极和检测电极自由定位。这可减少或完全避免因制造公差引起的测量偏倚(Bias)。第一微调电极的一部分可构造为梳状电极并且第二微调电极可构造为电极板。构造为梳状电极的微调电极的支承梳状电极电极指的部分于是与第二微调电极构成平行极板电容器，其用于产生静电力。通过这种设计使第一微调电极除了产生反作用于弹力的静电力外，也可用于其它目的、如加速度检测。由此加速度传感器可构造得更为紧凑。第一微调电极的一部分可构造为电极板并且构造为电极板的第一微调电极和相配的第二微调电极构成平行极板电容器。这允许简单地制造第一微调电极和第二微调电极，从而可简单且低成本地制造弹簧硬度可自由调节的加速度传感器。可通过调节检测电压使传感器质量块保持在中性位置中，在该位置中测得的加速度与微调电压无关。实际作用的加速度在此不重要。由此确保独立于存在的微调电压测量传感器质量块的某一加速度。该加速度可通过检测电极和传感器电极确定并且与中性位置一同构成参数对，其表征所使用的加速度传感器。例如可由包括中性位置和相配加速度的参数对确定微调电极的位置或形状是否稳定或加速度传感器是否损坏。由此可提高加速度传感器的可靠性。计算单元可由中性位置确定传感器质量块的第一位置与传感器质量块的第二位置的偏差，在第一位置中没有弹力作用于传感器质量块并且在第二位置中没有由传感器电极和检测电极产生的力作用于传感器质量块。由此可通过确定中性位置来确定因制造公差引起机械零点(即传感器质量块在无弹力时的位置)和电气零点(即传感器质量块在传感器电极和检测电极不产生合力时的位置)的偏差是否引起借助加速度传感器的加速度测量偏倚。由此提高加速度传感器的可靠性。计算单元可基于中性位置的变化和用于消除弹力所需的微调电压的变化检验加速度传感器的错误。由此提高加速度传感器的可靠性。加速度传感器可以是微机电系统(MEMS)。由此上述优点也可用于用于加速度测量的微机电系统中。附图说明本专利技术的上述和其它优点和特征在下面参考附图借助实施例详细说明。附图如下：图1A和1B为根据一种实施方式的加速度传感器示意图；图2为根据另一种实施方式的加速度传感器示意图；图3为根据另一种实施方式的加速度传感器示意图；图4为根据另一种实施方式的加速度传感器示意图；图5为在根据一种实施方式的加速度传感器中产生测量偏倚的示意图；图6为加速度传感器的弹簧硬度在不同微调电压作为参数时的关系示意图。具体实施方式图1A和1B以示意图示出根据一种实施方式的加速度传感器100。该加速度传感器100包括基板110。传感器质量块120通过弹簧元件130沿运动轴线x可动地支承在基板110上。弹簧元件130在弹簧元件130的第一侧上与基板110固定连接并且在弹簧元件130的第二侧上与传感器质量块120固定连接。弹簧元件130允许传感器质量块120沿运动轴线x偏移。例如弹簧元件130可构造为弯梁弹簧(Biege-Balkenfedern)，其垂直于运动轴线x延伸并且因此仅允许沿运动轴线x的运动，而不允许垂直于运动轴线x的运动。但弹簧元件130也可具有任何其它形状，其允许传感器质量块120沿运动轴线x偏移。第一微调电极140与传感器质量块120连接。在此第一微调电极140与传感器质量块120固定连接，例如传感器质量块120和第一微调电极140可构造成一体的，即第一微调电极140是传感器质量块120的一体组成部分。第二微调电极150与基板110连接并且配置给第一微调电极140。在此第二微调电极150与基板110固定连接。例如第二微调电极150可以是基板110的一体组成部分。这样设计第一微调电极140和第二微调电极150的配对，使得在传感器质量块120的静止位置中没有由第一微调电极140和第二微调电极150产生的力作用于传感器质量块120，因为如下面进一步描述的在微调电极140、150之间产生的分力平衡。第一微调电极140和第二微调电极150在此无需对称设置在本文档来自技高网...

【技术保护点】
加速度传感器(100)，包括：－传感器质量块(120)，其借助弹簧元件(130)沿运动轴线(x)可动地支承在基板(110)上；－第一微调电极(140)，其与传感器质量块(120)连接；和－第二微调电极(150)，其与基板(110)连接并且配置给第一微调电极(140)，－在传感器质量块(120)沿运动轴线(x)偏移时通过弹簧元件(130)产生作用于传感器质量块(120)的弹力(135)，并且－在传感器质量块(120)偏移时通过在第一微调电极(140)和第二微调电极(150)之间施加微调电压产生作用于传感器质量块(120)的静电力(145)，该静电力反作用于弹力(135)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.29 DE 102015001128.61.加速度传感器(100)，包括：－传感器质量块(120)，其借助弹簧元件(130)沿运动轴线(x)可动地支承在基板(110)上；－第一微调电极(140)，其与传感器质量块(120)连接；和－第二微调电极(150)，其与基板(110)连接并且配置给第一微调电极(140)，－在传感器质量块(120)沿运动轴线(x)偏移时通过弹簧元件(130)产生作用于传感器质量块(120)的弹力(135)，并且－在传感器质量块(120)偏移时通过在第一微调电极(140)和第二微调电极(150)之间施加微调电压产生作用于传感器质量块(120)的静电力(145)，该静电力反作用于弹力(135)。2.根据权利要求1所述的加速度传感器(100)，包括与传感器质量块(120)连接的传感器电极(160)和与基板(110)连接并且配置给传感器电极(160)的检测电极(170)，并且传感器质量块(120)沿运动轴线(x)的偏移可通过传感器电极(160)和相配的检测电极(170)之间的检测电压或传感器电极(160)和相配的检测电极(170)上的电荷的变化来确定。3.根据权利要求2所述的加速度传感器(200)，其中，传感器电极(260)的一部分构造为第一微调电极(240)并且构造为第一微调电极(240)的传感器电极(260)和第二微调电极(250)之间的微调电压阻尼传感器质量块(220)的偏移。4.根据上述权利要求之一所述的加速度传感器(200、300)，其中，第一微调电极(240、340)对称于...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·柯尼希，P·莱因菲尔德，
申请(专利权)人：诺思罗普·格鲁曼·利特夫有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE