制造电容式加速度传感器的方法和电容式加速度传感器技术

本发明专利技术涉及用于测量加速度的测量装置，更具体而言涉及电容式加速度传感器。本发明专利技术的目的是提供一种改进的制造电容式加速度传感器的方法，并且提供一种电容式加速度传感器，其适合于在小型电容式加速度传感器方案中使用，并且特别适合于在测量关于若干条轴线的加速度的小型和极薄的电容式加速度传感器方案中使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于测量加速度的测量装置，更具体而言涉及电容式加速度传感器(capacitive acceleration sensor)。本专利技术的目的是提供一种改进的制造电容式加速度传感器的方法，并且提供一种电容式加速度传感器，其适合于在小型电容式加速度传感器方案中使用，并且特别适合于在测量关于若干条轴线的加速度的小型且极薄的电容式加速度传感器方案中使用。专利技术背景基于电容式加速度传感器的测量已经被证明是一种基于简单且可靠原理的加速度测量方法。电容测量基于传感器的一对电极的两个表面之间的间隙变化。这两个表面之间的电容，即用于存储电荷的电容量，取决于表面积和它们之间的距离。电容测量甚至可在相当低的加速度值的测量范围内使用。小型电容式加速度传感器结构通常基于硅上制造的微观机械结构(micromechanical structure)。微观机械结构通常是通过蚀刻晶片材料而形成的具有厚度超过100μm的结构。微观机械电容式加速度传感器的一个优点是与结构面积相关的大的质量块，其可使优越性能的电容式加速度传感器易于制造。现有技术用于制造专业和消费类电子产品的连接和密封方法以及消费类电子产品的小型化已经导致了与微观机械元件，例如电容式加速度传感器的尺寸，具体地说是与传感器元件的高度相关的迫切需求。目前，一些关于若干条轴线的现有技术的电容式加速度传感器-->测量方案是已知的。在例如德国专利出版物DE 10225714和美国专利No.6,829,937中，描述了这种方案。这些出版物中所述的加速度测量原理都基于非对称的通过扭簧的质量块支撑，从而垂直于弹簧轴线，穿过质量块重心形成与电容偏板基本45°的角度。以下将参照附图来描述现有技术，其中：图1以截面投影图显示了根据现有技术的电容式加速度传感器方案，图2显示了根据现有技术用于测量关于三条轴线的加速度的电容式加速度传感器元件的定位方案，图3以截面投影图显示了根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案，和图4显示了在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，变形对测量电极和质量块之间的距离的影响。图1以截面投影图显示了根据现有技术的电容式加速度传感器方案。根据现有技术，在电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块1的扭簧4偏心地定位在纵向方向上，在厚度方向上定位在质量块1的一个边缘上。测量电极2，3相对于弹簧轴线对称地定位在该质量块下面。在投影图中，与测量电极2，3重合的质量块1的区域由虚线表示。图2显示了根据现有技术用于测量关于三条轴线的加速度的电容式加速度传感器元件的定位方案。在根据现有技术的定位方案中，加速度传感器元件7，8，9定位成用于测量关于三条轴线的加速度。通过所示定位方案，可实现若干条轴线的加速度的传感器，其测量方向涵盖整个空间。根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的一个优点是电极在相同平面中的定位，以及对结构变形的抗性。当传感器进行机械连接和电连接时，以及当其获得保护免于环境的化学影响时，结构变形几乎是不可避免的。这些变形是由材料的热膨-->胀差异而造成的。根据现有技术的上述电容式加速度传感器方案极好地承受了结构变形，而没有由于零漂而产生测量不准确。根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的优点还在于，通过改变垂直于穿过重心的弹簧线的角度可以轻易地实现对加速度传感器方案的垂直和水平灵敏度的调节。如果角度大于45°，获得小于水平灵敏度的垂直灵敏度，这在许多实际应用中是很有用的。根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的缺点是空间的低效使用，因为质量块表面的一些部分仍没有被电极覆盖到。图3以截面投影图显示了根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案。在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块10的扭簧13被定位在质量块10的角落中。测量电极11，12定位在位于质量块10两侧的两个不同的平面上。在投影图中，与测量电极11，12重合的质量块10的区域由虚线表示。在图3的方案中，测量方向相对测量电极11，12的平面成45°角。通过将扭簧13定位在质量块10的角落中可实现不对称。根据现有技术，图3中所示的第二电容式加速度传感器方案的一个优点是对面积的极有效使用。根据现有技术，图3中所示的第二电容式加速度传感器方案的缺点是，测量电极11，12定位在两个彼此远离定位的平面上。定位在两个不同平面上的电极11，12需要整个结构极大的刚性。图4显示了根据现有技术的在第二电容式加速度传感器中的变形对测量电极和质量块之间的距离的影响。在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块15的扭簧18，其定位在质量块15的角落中。测量电极16，17定位在位于质量块15两侧的两个不同平面上。根据现有技术，图4中所示的第二电容式加速度传感器方案的-->缺点是，在测量电极16，17和质量块15之间的距离不成比例，这是由于加速度传感器结构的弯曲或一些其它变形而造成的。当传感器进行机械连接和电连接时，以及当其获得保护免于环境的化学影响时，结构变形几乎是不可避免的。这些变形是由材料的热膨胀差异而造成的。图4显示了根据现有技术，在电容式加速度传感器方案的质量块15和定位在质量块15不同侧的测量电极16，17之间的距离，由于传感器弯曲而如何以相互不同的方式发生变化的情况。这后果是在传感器的两个电容之间的差异变化，即由于零漂造成的测量误差产生了。根据现有技术，适用第二电容式加速度传感器方案的情形会被进一步复杂化，即如果加载的力和力矩是非对称的，那么定位在该质量块不同侧的测量电极16，17可能彼此独立地弯曲。与根据现有技术的加速度传感器方案相关的问题是最终传感器元件的过大高度。现今，需要加速度传感器具有小的面积和良好的性能。低高度的一个优点是，在现代电子产品中的良好的可安装性。相应地，小面积的一个优点是在晶片工艺中较低的生产成本。此外，良好的性能时常意味着在测量期间较低的噪声和在测量期间装置的稳定性。性能时常需要结构的刚性。根据现有技术，图1中所显示的电容式加速度传感器结构，其浪费了与电容器面积相关的面积。相反，所推荐的方案可承受机械变形，并因而可将其设计成具有比图1方案薄得多的支撑结构。根据现有技术，通过图3中所显示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于由晶片元件制造出电容式加速度传感器的方法，在该方法中，在中心晶片上制造出形成了移动电极的惯性质量块（１９），（２７），（３４），扭簧（２２），（３０），（３９）在所述质量块的纵向方向上对称地、并且在所述质量块的厚度方向上非对称地支撑着所述质量块；并且在第二晶片上制造测量电极（２０），（２１），（２８），（２９），（３７），（３８），所述电极相对于所述扭簧（２２），（３０），（３９）和所述质量块（１９），（２７），（３４）对称地定位成面向所述质量块（１９），（２７），（３４）的第一侧，其特征在于，在所述加速度传感器的质量块（１９），（２７），（３４）中，在第二侧，即与所述第一侧相反的一侧，制造有非对称定位的减轻特征（２３），（２４），（３１），（３２），（４０），（４１）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】FI 2005-6-17 200553231.一种用于由晶片元件制造出电容式加速度传感器的方法，在
该方法中，在中心晶片上制造出形成了移动电极的惯性质量块
(19)，(27)，(34)，扭簧(22)，(30)，(39)在所述质量块的纵向方向上对称地、
并且在所述质量块的厚度方向上非对称地支撑着所述质量块；并且
在第二晶片上制造测量电极(20)，(21)，(28)，(29)，(37)，(38)，所述电极相
对于所述扭簧(22)，(30)，(39)和所述质量块(19)，(27)，(34)对称地定位成
面向所述质量块(19)，(27)，(34)的第一侧，其特征在于，在所述加速度
传感器的质量块(19)，(27)，(34)中，在第二侧，即与所述第一侧相反的
一侧，制造有非对称定位的减轻特征(23)，(24)，(31)，(32)，(40)，(41)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述减轻特征
(23)，(24)，(31)，(32)，(40)，(41)处，通过机械加工方法除去了一些质量块
(19)，(27)，(34)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述减轻特征
(23)，(24)，(31)，(32)，(40)，(41)处，通过蚀刻方法除去了一些质量块
(19)，(27)，(34)。
4.根据任何前面权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在
于，所述移动电极利用SOI晶片(33)成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述SOI晶片(33)
通过两个密封晶片(35)，(36)进行密封。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测量电极
(37)，(38)相对于所述扭簧(39)和所述质量块(34)对称地定位在所述第一
密封晶片(36)上，面向所述质量块(34)的第一侧。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，携带所述测量电
极(37)，(38)的密封晶片(36)通过硅-玻璃隔离技术制造而成。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在连接之后，将
所述第一密封晶片(36)研磨得极薄。
9.根据权利要求6，7或8所述的方法，其特征在于，所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：H凯斯马，
申请(专利权)人：VTI技术有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]