專利名稱：在非對(duì)稱質(zhì)量分布情況下具有對(duì)稱面結(jié)構(gòu)的微機(jī)械傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，具有帶有基底平面的基底和擺動(dòng)梁 形式的振動(dòng)質(zhì)量，該擺動(dòng)梁可旋轉(zhuǎn)地懸置于基底平面上方，其中，擺動(dòng)梁 具有旋轉(zhuǎn)軸，該旋轉(zhuǎn)軸平行于基底平面延伸，其中，擺動(dòng)梁具有位于旋轉(zhuǎn) 軸之外的重心。
背景技術(shù)：
用于測(cè)量動(dòng)態(tài)量，如加速度、轉(zhuǎn)速和力的微機(jī)械傳感器在現(xiàn)有技術(shù)中 是已經(jīng)公知的。特別是將微機(jī)械元件用作汽車應(yīng)用中的安全氣囊傳感器或 行駛動(dòng)力學(xué)傳感器。 一種示例性的裝置具有可彈性偏轉(zhuǎn)的電容電極，該可 彈性偏轉(zhuǎn)的電容電極與兩個(gè)固定設(shè)置的電容電極各構(gòu)成一個(gè)測(cè)試電容。根 據(jù)差分電容測(cè)量原理檢測(cè)傳感器信號(hào)。微機(jī)械傳感器可作為功能結(jié)構(gòu)安置 在基底表面上。微機(jī)械加速度傳感器在其檢測(cè)方向方面各不相同。特別是 可以通過平面內(nèi)(即在基底平面內(nèi))的和平面外(即從基底平面中伸出)
的不同設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)傳感元件。目前，平面外(out-of-plane)傳感元件在一 種示例性實(shí)施方式中被實(shí)現(xiàn)為所謂的z擺動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，其中，分別檢測(cè)擺動(dòng) 梁和固定設(shè)置的電容電極之間的測(cè)量電容。測(cè)量電極設(shè)計(jì)成與擺動(dòng)梁的懸 掛裝置(扭簧)相距非對(duì)稱的距離。為了保證在施加的加速度作用下的偏 轉(zhuǎn)，擺動(dòng)梁的一側(cè)被設(shè)計(jì)為比以擺動(dòng)梁軸為參考而相對(duì)置的一側(cè)更長。在 此，從懸掛點(diǎn)伸出的臂中的一個(gè)臂設(shè)計(jì)得比另一個(gè)臂更長。在該結(jié)構(gòu)朝著 基底平面外的方向加速時(shí)，這種擺動(dòng)梁的非對(duì)稱面分布以及因此的非對(duì)稱 質(zhì)量分布導(dǎo)致擺動(dòng)梁結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)。例如在專利申請(qǐng)DE 195 41 388 Al中對(duì) 這種傳感器進(jìn)行了描述。
然而，基底勢(shì)能的變化可能影響輸出信號(hào)。例如，電荷在關(guān)于旋轉(zhuǎn)點(diǎn) 非對(duì)稱懸掛的擺動(dòng)梁結(jié)構(gòu)上的力作用可以導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)量，即導(dǎo)致擺動(dòng)梁電極 的預(yù)偏轉(zhuǎn)。在電荷均勻分布的情況下，相對(duì)于具有較小面積的擺動(dòng)梁側(cè)， 在具有較大面積的擺動(dòng)梁側(cè)上出現(xiàn)更大的力。特別地，電荷變化由此導(dǎo)致傳感器偏轉(zhuǎn)量的不利的變化，這個(gè)變化不是由測(cè)量值加速度的變化引起的。
從專利文獻(xiàn)DE 103 50 536 B3中公知了一種"用于減少基底勢(shì)能對(duì)微 機(jī)械傳感器的輸出信號(hào)的影響的方法"。那里所述的方法尤其基于力作用 通過均勻分布的電荷而對(duì)稱地作用在傳感器的偏轉(zhuǎn)側(cè)上。這種方法至今僅 可與平面內(nèi)(in-plane)檢測(cè)元件(x， y傳感器) 一起使用。
具有非對(duì)稱擺動(dòng)梁結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)于兩個(gè)不同的偏轉(zhuǎn)側(cè)具有不同的止
擋加速度。與較短側(cè)相比，振動(dòng)質(zhì)量的長側(cè)在加速度較低時(shí)機(jī)械地撞向基 底的底部，而較短側(cè)在加速度相反時(shí)撞向基底的底部。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，具有帶有基底平面的基底和擺動(dòng)梁 形式的振動(dòng)質(zhì)量，振動(dòng)質(zhì)量可旋轉(zhuǎn)地懸置于基底平面上方，其中，擺動(dòng)梁 具有旋轉(zhuǎn)軸，該旋轉(zhuǎn)軸平行于基底平面延伸，其中，擺動(dòng)梁具有位于旋轉(zhuǎn) 軸之外的重心。本發(fā)明的核心在于擺動(dòng)梁被構(gòu)造為在基底平面上的投影 中關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸基本上鏡像對(duì)稱。在側(cè)視圖中這意味著，擺動(dòng)梁的兩個(gè)臂長 度相同。
有利的是，對(duì)于加速度傳感器而言所必需的、在懸掛點(diǎn)兩側(cè)上的非對(duì) 稱的質(zhì)量比例關(guān)系不像在至今為止的設(shè)計(jì)中那樣通過不同長度的桿臂或不 同大小的面積來實(shí)現(xiàn)，而是在對(duì)稱的，即相同長度的桿臂或相同大小的面 積的情況下通過不同的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明有利地實(shí)現(xiàn)了平面外測(cè)量的微機(jī)械傳感器元件(Z傳感器)，在 該元件上可以使用在專利文獻(xiàn)DE 103 50 536 B3中公開的"用于減少基底 勢(shì)能對(duì)微機(jī)械傳感器的輸出信號(hào)的影響的方法"。
本發(fā)明有利地依照擺動(dòng)梁原理實(shí)現(xiàn)了具有關(guān)于懸掛點(diǎn)對(duì)稱的力的z傳 感器，由此阻止或至少大大地避免了振動(dòng)質(zhì)量由于基底的電荷影響而發(fā)生 偏轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的有利的構(gòu)型規(guī)定，在位于中央的旋轉(zhuǎn)軸的第一側(cè)上的第一擺 動(dòng)梁部分具有與旋轉(zhuǎn)軸的相對(duì)的第二側(cè)上的第二擺動(dòng)梁部分不同的厚度。 有利的是，擺動(dòng)梁可以由唯一的材料制造，但具有位于旋轉(zhuǎn)軸之外的重心。 有利的是，具有相同厚度的擺動(dòng)梁例如由同一層組成并且附加地為了增加 厚度而局部具有附加的質(zhì)量元件本發(fā)明的有利的構(gòu)型規(guī)定，擺動(dòng)梁由至少一種第一材料組成并在旋轉(zhuǎn) 軸的第一側(cè)的第一擺動(dòng)梁部分上至少局部地具有由至少一種第二材料組成 的涂層。有利的是，通過擺動(dòng)梁的部分涂層施加附加的質(zhì)量。在此，第二 材料可以與第一材料相同。特別優(yōu)選的是，第二材料也可以與第一材料不 同，特別是比第一材料更重的材料。
本發(fā)明的有利構(gòu)型規(guī)定，第二材料是金屬。同樣有利的是，第一材料 是半導(dǎo)體，尤其是硅。
本發(fā)明的有利構(gòu)型規(guī)定，在擺動(dòng)梁朝向基底的第一表面上設(shè)置涂層。 本發(fā)明的另一有利構(gòu)型規(guī)定，在擺動(dòng)梁背離基底的第二表面上設(shè)置涂層。 這有利地實(shí)現(xiàn)了對(duì)于兩個(gè)加速度方向Z和-Z，即指向基底的方向和從基底離 開的方向上兩個(gè)擺動(dòng)梁臂或擺動(dòng)梁部分的對(duì)稱的止擋特性。特別地，與在 已知的擺動(dòng)梁設(shè)計(jì)中的止擋加速度相比，根據(jù)本發(fā)明也有利地增大了止擋 加速度，因?yàn)椴辉僭O(shè)置更長的擺動(dòng)梁臂。
本發(fā)明的特別有利的構(gòu)型規(guī)定，該結(jié)構(gòu)元件具有電容式結(jié)構(gòu)，其中與 第一擺動(dòng)梁部分相對(duì)地在基底上設(shè)置第一固定電極和/或其中與第二擺動(dòng) 梁部分相對(duì)地在基底上設(shè)置第二固定電極。有利的是，這種電容式傳感器 對(duì)于作用在擺動(dòng)梁上的靜電力具有對(duì)稱的力特性。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)一方面在于降低了通過電荷產(chǎn)生的可能的力對(duì)傳感器的 影響，其顯示為變化的信號(hào)偏轉(zhuǎn)量，另一方面在于保持重要的傳感器參數(shù)
的情況下提高止擋加速度(機(jī)械限幅(Clipping))。為此，阻止或避免了兩 個(gè)偏轉(zhuǎn)側(cè)的不對(duì)稱的限幅/止擋。最后，通過本發(fā)明能夠減少傳感器芯的橫 向尺寸，而不限制傳感器的功能。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械傳感器的第一實(shí)施例， 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械傳感器的第二實(shí)施例， 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械傳感器的第三實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械傳感器的第一實(shí)施例。示出了具有基 底1的微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，該基底1具有基底平面(x; y)。在基底上方設(shè)置具有微機(jī)械結(jié)構(gòu)的微機(jī)械功能層，即擺動(dòng)梁4形式的振動(dòng)質(zhì)量。擺動(dòng)梁4 借助彈簧可旋轉(zhuǎn)地懸置于基底平面上方。在此，擺動(dòng)梁4具有旋轉(zhuǎn)軸3，該 旋轉(zhuǎn)軸與基底平面(x， y)平行地延伸。擺動(dòng)梁4具有位于旋轉(zhuǎn)軸3之外 的重心10。因此，z或-z方面上的加速度，例如加速運(yùn)動(dòng)或重力作用導(dǎo)致 擺動(dòng)梁4的偏轉(zhuǎn)，更確切地說導(dǎo)致擺動(dòng)梁4的傾斜。還示出了在旋轉(zhuǎn)軸3 的第一側(cè)31上的第一擺動(dòng)梁部分41，該第一擺動(dòng)梁部分41至少局部地具 有與在旋轉(zhuǎn)軸的對(duì)面的第二側(cè)32上的第二擺動(dòng)梁部分42不同的厚度。其 原因在于在第一擺動(dòng)梁部分41上部分地設(shè)有由第二材料構(gòu)成的涂層5。 在這個(gè)實(shí)施例中，涂層5設(shè)置在擺動(dòng)梁4的第二表面420上，即上表面上。 根據(jù)本發(fā)明，擺動(dòng)梁4被構(gòu)造為在基底平面(x， y)的投影中關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸3 基本上是鏡像對(duì)稱的。也就是說，在俯視(z方向)擺動(dòng)梁4時(shí)，第一擺動(dòng) 梁部分41的形狀和大小與第二擺動(dòng)梁部分42相同。在側(cè)視圖中，這意味 著擺動(dòng)梁的兩個(gè)臂長度相同。該微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件具有電容式結(jié)構(gòu)，其中， 第一固定電極2與第一擺動(dòng)梁部分41相對(duì)置地設(shè)置在基底1上，并且其中， 第二固定電極6與第二擺動(dòng)梁部分42相對(duì)置地設(shè)置在基底1上。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械傳感器的第二實(shí)施例。與根據(jù)圖1的 實(shí)施例不同，在本實(shí)施例中，涂層5設(shè)置在擺動(dòng)梁4的第一表面410上， 即設(shè)置在下表面上。涂層5設(shè)置成與第一固定電極2相對(duì)置。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械傳感器的第三實(shí)施例。與根據(jù)圖2的 實(shí)施例不同，在本實(shí)施例中，涂層5不設(shè)置成與第一固定電極2相對(duì)置， 而是相對(duì)于第一固定電極2錯(cuò)位地設(shè)置。因此，第一固定電極被設(shè)置成正 好與擺動(dòng)梁部分41的不具有涂層的區(qū)域相對(duì)置。
在圖1、 2和3中所示的根據(jù)本發(fā)明的傳感器的特征在于所述傳感器 在硅微機(jī)械領(lǐng)域或其他領(lǐng)域中代表一種技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微機(jī)械結(jié) 構(gòu)的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行電容分析，尤其是差分式電容分析。在此，電容在第一固定 電極2和第一擺動(dòng)梁部分41之間以及在第二固定電極6和第二擺動(dòng)梁部分 42之間，以及必要時(shí)在第一表面410上的第一擺動(dòng)梁部分41上的涂層5 和第一固定電極2之間。
根據(jù)本發(fā)明，基底1上方的微機(jī)械載體結(jié)構(gòu)(振動(dòng)質(zhì)量)也可旋轉(zhuǎn)地 以旋轉(zhuǎn)軸3懸掛在扭簧上，使得旋轉(zhuǎn)軸3兩側(cè)的面積基本相同。也就是說， 第一擺動(dòng)梁部分41和第二擺動(dòng)梁部分42被構(gòu)造為從上面俯視時(shí)具有相同中，這對(duì)應(yīng)于擺動(dòng)梁4兩側(cè) 的擺動(dòng)梁臂41和42具有相同的長度。因此，可以這樣地平衡出現(xiàn)在基底1 和振動(dòng)質(zhì)量4之間的(例如由電荷引起的)力，使得該力不導(dǎo)致擺動(dòng)梁4 的偏轉(zhuǎn)。這通過以下方式實(shí)現(xiàn)，即與面積大小成比例地出現(xiàn)的力相互平衡。 如果例如由電荷引起的力向下作用，那么在傳感器位于根據(jù)圖1的平衡位 置中時(shí)，擺動(dòng)梁4的兩側(cè)受到相同大小的力，并且因此相同強(qiáng)度地被向下 拉動(dòng)，即向基底l的方向被拉動(dòng)。結(jié)果振動(dòng)質(zhì)量4未從其靜止位置中運(yùn)動(dòng) 出來。與此相比，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的、具有不對(duì)稱的擺動(dòng)梁的傳感器，在 擺動(dòng)梁的較長的臂上的力占優(yōu)，振動(dòng)質(zhì)量4在較長的一側(cè)向下偏轉(zhuǎn)，較短 的一側(cè)則向上運(yùn)動(dòng)。
特別地，在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中，由電荷引起的力的均勻改變不導(dǎo) 致擺動(dòng)梁位置的改變并且因此不導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)量的改變。
如果要優(yōu)選地在微機(jī)械裝置上方的罩(Kappe)和振動(dòng)質(zhì)量之間形成力， 那么圖2和圖3中的方案是有利的，因?yàn)閿[動(dòng)梁表面到罩的距離在整個(gè)面 積上幾乎都是相同的，因此在平衡狀態(tài)中由例如電荷產(chǎn)生的力不會(huì)使擺動(dòng) 梁?jiǎn)蝹?cè)地偏轉(zhuǎn)。
為了對(duì)加速度靈敏地做出響應(yīng)，必須在振動(dòng)質(zhì)量4的兩個(gè)臂上建立非 對(duì)稱的質(zhì)量比例關(guān)系。取代如在已知設(shè)計(jì)中改變臂的長度，例如使兩個(gè)臂 的厚度不同。特別地，也可以在臂的上面和下面放置與臂的材料不同的材 料，如重材料(例如金屬)作為涂層5。在此，擺動(dòng)梁4的重心10的期望 位置由涂層5的厚度和長度lM或底面積和材料的適配得到。
如果僅僅改變擺動(dòng)梁4的上表面上的質(zhì)量，即在擺動(dòng)梁4的第二表面 420上設(shè)置涂層5，那么各個(gè)臂在相同的偏轉(zhuǎn)下被止擋，與加速度的方向無 關(guān)。因此保證了對(duì)稱的機(jī)械限幅特性。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，具有帶有基底平面(x；y)的基底(1)和擺動(dòng)梁(4)形式的振動(dòng)質(zhì)量，該擺動(dòng)梁(4)可旋轉(zhuǎn)地懸置于所述基底平面上方，其中，所述擺動(dòng)梁(4)具有旋轉(zhuǎn)軸(3)，該旋轉(zhuǎn)軸平行于所述基底平面延伸，其中，所述擺動(dòng)梁(4)具有位于所述旋轉(zhuǎn)軸(3)之外的重心(10)，其特征在于，所述擺動(dòng)梁(4)被構(gòu)造為在所述基底平面上的投影中關(guān)于所述旋轉(zhuǎn)軸(3)基本上鏡像對(duì)稱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，在中央的所述旋轉(zhuǎn)軸(3)的第一側(cè)(31)上的第一擺動(dòng)梁部分(41)具有與所述旋轉(zhuǎn)軸的位于對(duì)面的第二側(cè)(32)上的第二擺動(dòng)梁部分(42)不同的厚度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述擺動(dòng)梁(4)由至少一種材料組成并且在所述旋轉(zhuǎn)軸(3)的第一側(cè)(31)上的第一擺動(dòng)梁部分(41)上至少局部地具有由至少一種第二材料組成的涂層(5)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述第二材料是金屬。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述涂層(5)設(shè)置在所述擺動(dòng)梁(4)的朝向所述基底(1)的第一表面(410)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述涂層(5)設(shè)置在所述擺動(dòng)粱(4)的背離所述基底(1)的第二表面(420)上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述涂層(5)既設(shè)置在所述擺動(dòng)梁(4)的朝向所述基底(1)的第一表面(410)上也設(shè)置在所述擺動(dòng)梁(4)的背離所述基底(1)的第二表面(420)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)元件具有電容結(jié)構(gòu)，其中，第一固定電極(2)與所述第一擺動(dòng)梁部分(41)相對(duì)置地設(shè)置在所述基底(1)上和/或第二固定電極(6)與所述第二擺動(dòng)梁部分(42)相對(duì)置地設(shè)置在所述基底(1)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)元件，具有帶有基底平面的基底和擺動(dòng)梁形式的振動(dòng)質(zhì)量，該振動(dòng)質(zhì)量可旋轉(zhuǎn)地懸置于所述基底平面上方，其中，所述擺動(dòng)梁具有旋轉(zhuǎn)軸，該旋轉(zhuǎn)軸平行于所述基底平面延伸，其中，所述擺動(dòng)梁具有位于所述旋轉(zhuǎn)軸之外的重心。本發(fā)明的關(guān)鍵在于所述擺動(dòng)梁被構(gòu)造為在所述基底平面上的投影中關(guān)于所述旋轉(zhuǎn)軸基本上鏡像對(duì)稱。
文檔編號(hào)B81B5/00GK101683965SQ20091017517
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
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