專利名稱：微機械式傳感器元件及其制造方法和運行方法
技術領域：
本發明涉及一種具有基底和懸掛在該基底上的第一振動質量的微機械 式傳感器元件，以及制造微機械式傳感器元件的方法和運行微機械式傳感 器元件的方法。
背景技術：
這樣的微機械式傳感器元件已廣為人知。例如，專利文獻DE 100 00 368 Al公開了一種具有基底和振動質量的加速度傳感器，該基底具有錨定裝 置，振動質量通過彎曲彈簧裝置與錨定裝置連接，使得振動質量能夠從其 靜止位置彈性地偏轉出來。振動質量還被構造成擺動結構，其通過位于其 下的電極區域來檢測z方向上的加速度。
發明內容
與現有技術相比，根據本發明的微機械式傳感器元件、根據本發明的 用于制造微機械式傳感器元件的方法和根據本發明的用于運行微機械式傳
感器元件的方法具有如下優點 一方面，垂直于主延伸平面的加速度的檢 測從可能的基底撓曲解耦，另一方面，在平行于主延伸平面的檢測面相同 的情況下，微機械式傳感器元件的檢測靈敏度明顯提高。替代地，在檢測 靈敏度基本相同的情況下，根據本發明的傳感器元件能夠使檢測面積減少 或者說減半。所列舉的優點通過如下方式實現在微機械式傳感器元件垂 直于主延伸平面加速時，不僅產生第一振動質量從第一靜止位置的第一偏 轉，而且同時也產生第二振動質量從第二靜止位置的第二偏轉，其中，尤 其是第一振動質量的轉動慣量不同于第二振動質量的轉動慣量，使得優選 第一偏轉和第二偏轉反相地進行。因此，第一振動質量和第二振動質量之 間的垂直于主延伸平面的距離既通過第一偏轉又通過第二偏轉明顯更強烈 地改變，使得與在現有技術中所述的那樣僅僅從一側出發實現的距離變化 (僅僅是振動質量相對于固定基底運動)相比，檢測靈敏度明顯提高，并二振動質量至少部分地重疊，故平行于主延伸平 面的檢測面積不會增大或者僅僅稍微增大。與在現有技術中所述的檢測振 動質量和基底之間的距離變化不同，通過直接檢測第一振動質量和第二振 動質量之間的距離變化，使得加速度的測量與由制造產生的垂直于主延伸 平面的基底撓曲無關，該基底撓曲會降低測量的精度。基底、第一振動質 量和/或第二振動質量優選包括半導體材料并且尤其優選包括硅。
本發明的有利設計方案和擴展方案從下面的以及借助附圖的描述中得出。
根據一種優選的擴展方案規定，第一振動質量借助第一耦合裝置基本 上可繞第一旋轉軸線轉動地直接或間接固定在基底上，并且第二振動質量 借助第二耦合裝置基本上可繞第二旋轉軸線轉動地直接或間接固定在基底 上，其中，第一旋轉軸線和第二旋轉軸線相互平行地設置和/或垂直于主延 伸平面基本上重合地設置。
因此，尤其有利的是，加速度產生第一振動質量相對于基底和相對于 第二振動質量繞第一旋轉軸線的第一傾斜或者說第一轉動，并且產生第二 振動質量相對于基底和相對于第一振動質量繞第二旋轉軸線的第二傾斜或 者說第二轉動。
根據另一種特別優選的擴展方案規定，第一振動質量具有第一質量對 稱軸線并且第二振動質量具有第二質量對稱軸線，其中，優選地是，第一 質量對稱軸線和第二質量對稱軸線基本上平行于第一旋轉軸線和第二旋轉 軸線定向，尤其優選的是，第一質量對稱軸線平行于主延伸平面與第二質 量對稱軸線間隔距離地設置。在本發明意義上，質量對稱軸線尤其包括一 軸線，該軸線連接一振動質量的相對于該振動質量的相應旋轉軸線的、平 行于旋轉軸線相互對齊的質心。話句話說，振動質量的質量對稱軸線尤其 包括平行于相應旋轉軸線的質心軸線。尤其有利的是，第一質量對稱軸線 和第二質量對稱軸線平行于主延伸平面相互間隔開，使得關于加速度的第 一轉動慣量和第二轉動慣量不同，因此由該加速度引起的第一偏轉和第二 偏轉也不同。尤其地，第一質量對稱軸線平行于主延伸平面設置在第一和 第二旋轉軸線的第一側上，并且第二質量對稱軸線平行于主延伸平面設置 在第一和第二旋轉軸線的與第一側相對的第二側上，使得加速度產生反相 的第一偏轉和第二偏轉。在本發明的意義上，反相的第一偏轉和第二偏轉優選地表示，第一偏轉包括第一振^)質量繞第一旋轉軸線的第一轉動，該 第一轉動與第二偏轉中第二振動質暈繞第二旋轉軸線的第二轉動是相反 的。因此，在加速的情況下，第一振動質量和第二振動質量之間的距離以 有利的方式既通過第一偏轉又通過第二偏轉同時地改變，從而距離變化的 變化率顯著增加，由此顯著提高檢測靈敏度。
根據另一種特別優選的擴展方案規定，第一耦合元件和第二耦合元件 垂直于主延伸平面重合地設置并且優選地包括具有可逆彈性的彈簧元件， 并且尤其優選地包括扭轉彈簧元件和/或彎曲彈簧元件，從而能夠以有利方 式實現第一振動質量和第二振動質量相對于基底的第一偏轉和第二偏轉。
根據另一種特別優選的擴展方案規定，第一耦合元件直接地固定在基 底上和/或第二耦合元件直接地固定在第一耦合元件、基底和/或第一振動質 量上。尤其有利的是，第二振動質量通過第二耦合元件固定在第一振動質 量上，使得第二振動質量只是間接地固定在基底上并且可以省去第二耦合 元件在基底上的直接接合，其中，第一和第二振動質量以及第一和第二耦 合元件尤其可以作為一個整體結構特別成本有利地、共同地制造在基底上。
根據另一種特別優選的擴展方案規定，第一振動質量具有一個第一電 極和尤其是另一個第一電極，并且第二振動質量具有一個第二電極和尤其 是另一個第二電極，其中，第一電極與第二電極被設置成垂直于主延伸平 面重疊，并且尤其是另一個第一電極與另一個第二電極被設置成垂直于主 延伸平面重疊。尤其有利的是，第一振動質量和第二振動質量之間的距離 的測量能夠通過第一電極和第二電極和/或另一個第一電極和另一個第二 電極以特別簡單的方式實現，其中，優選借助一電容檢測裝置測量第一電 極和第二電極之間的第一電容和/或另一個第一電極和另一個第二電極之 間的第二電容。
根據另一種特別優選的擴展方案規定，第一質量對稱軸線和/或第一旋 轉軸線被設置成在第一電極和另一個第一電極之間延伸，第二質量對稱軸 線和/或第二旋轉軸線被設置成在第二電極和另一個第二電極之間延伸。因 此，特別有利的是，第一振動質量和第二振動質量之間的由第一和第二偏 轉引起的距離變化既在第一和第二旋轉軸線的第一側又在第二側上平行于 主延伸平面測量，從而例如借助第一電容的相應減小和第二電容的相應增 大，能夠相對精確地檢測由反相的第一和第二偏轉導致的第一側的距離增加和第二側的距離減小。
根據另一種特別優選的^展方案規定，第一振動質量的質量和第二振 動質量的質量不同，使得不同的第一轉動慣量和第二轉動慣量尤其是不僅 能夠通過第一振動質量和第二振動質量的非對稱懸掛產生，而且也能夠有 利地通過第一振動質量的質量和第二振動質量的質量之間的質量非對稱性 產生。
根據另一種特別優選的擴展方案規定，第一振動質量和第二振動質量 被集成在一個殼體內，其中，該殼體尤其具有一個蓋。因此尤其有利的是， 第一振動質量、第二振動質量和/或電極不受外界環境影響。特別有利的是， 在殼體中尤其是借助相應的內部介質調節明確定義的內壓，以便獲得第一 振動質量和第二振動質量的期望的偏轉特性。
本發明的另一個主題是一種用于制造微機械式傳感器元件的方法，其 中，在第一制造步驟中提供與第一振動質量一起的基底，其中在第二制造 步驟中提供懸掛在另一個基底上的第二振動質量并且在接下來的第三制造 步驟中將該另一個基底如此地設置在所述基底上，使得第一振動質量與第 二振動質量垂直于主延伸平面至少部分地重疊。因此有利的是，根據本發 明的傳感器元件能夠在僅僅三個成本上可相對有利地實施的制造步驟中以 相對簡單的方式制造。這尤其是通過如下方式實現第一制造步驟和第二 制造步驟包括用于制造根據現有技術的兩個標準傳感器元件的眾所周知的 標準制造步驟。
本發明的另一個主題是一種用于運行微機械式傳感器元件的方法，其 中，通過測量第一電極和第二電極之間的第一電容的變化和/或另一個第一 電極和另一個第二電極之間的第二電容的變化來確定微機械式傳感器元件 的加速度。特別有利的是，與現有技術相比，根據本發明的用于運行微機 械式傳感器元件的方法能夠在測量面積相同情況下實現更高的撿測靈敏 度，因為第一電極或者說另一個第一電極以及第二電極或者說另一個第二 電極由于加速度而進行偏轉運動，由此增加了第一 電容的變化或者說第二 電容的變化。此外，消除了由基底撓曲導致測量精度下降這一缺點。
根據另一種特別優選的擴展方案規定，第一電容的變化被轉換成第一 電壓信號并且第二電容的變化被轉換成第二電壓信號，并且第一電壓信號 和第二電壓信號之間的差被轉換成差動信號。因此特別有利的是，由微機械式傳感器元件給出與微機械式傳感器元件的加速度有關的差動信號，該 差動信號優選輸送給電氣分析電路或者說電子分析電路。
本發明的實施例在附圖中示出并且在下面的說明書中更詳細地闡述。 附圖中
圖1示出根據現有技術的一種微機械式傳感器元件的示意性側視圖； 圖2示出根據本發明的一種示例性實施方式的微機械式傳感器元件的
示意性側視圖；和
圖3示出用于運行根據本發明的示例性實施方式的微機械式傳感器元
件的方法的示意圖。
具體實施例方式
在圖1中示出根據現有技術的一種微機械式傳感器元件1的示意性側 視圖，其中，該微機械式傳感器元件1具有基底2和第一振動質量10，基 底2為具有蓋2"的殼體2'的形式，其中，第一振動質量10借助第一耦合 裝置11非對稱地如此懸掛在基底2上，使得在微機械式傳感器元件1的加 速度101垂直于基底2的主延伸平面100的情況下，第一振動質量10經受 第一轉動慣量，并且因此實施第一偏轉，該第一偏轉是繞平行于主延伸平 面100定向的第一旋轉軸線12的第一轉動104形式。振動質量10具有第 一質量對稱軸線13，該第一質量對稱軸線13平行于第一旋轉軸線12設置 并且其連接就第一振動質量10的垂直于第一旋轉軸線12且平行于主延伸 平面100的質量分布而言的、平行于第一旋轉軸線12相互對齊的質心。第 一質量對稱軸線13平行于主延伸平面100與第一旋轉軸線12間隔開，使 得加速度101產生第一轉動慣量并且由此產生第一轉動104。通過借助未示 出的電容檢測裝置來檢測振動質量10和基底2之間的在振動質量10的第 一側102的第一 電容3以及檢測振動質量10和基底2之間的在振動質量10 的第二側103的第二電容3'，檢測出第一轉動104。
在圖2中示出根據本發明的一種示例性實施方式的微機械式傳感器元 件1的示意性側視圖，其中，根據本發明的示例性實施方式的微機械式傳 感器元件1與圖1中所示的根據現有技術的微機械式傳感器元件相似，其中，該微機械式傳感器元件1具有第二振動質量20,該第二振動質量20 基本上平行于第一振動質量10設置在第一振動質量10和基底2之間并且 借助一第二耦合裝置21非對稱地且可動地懸掛或者說固定在基底2上。第 一振動質量IO借助第一耦合裝置11懸掛或者說固定在第二振動質量20上 并且僅僅間接地通過第二振動質量20和第二耦合裝置21與基底2連接。 第二振動質量20如此非對稱地懸掛，使得垂直于主延伸平面100的加速度 101產生第二偏轉，該第二偏轉是由第二轉動慣量引起的第二振動質量20 繞第二旋轉軸線22的第二轉動105的形式，其中第二旋轉軸線22平行于 第一旋轉軸線12定向并且尤其是垂直于主延伸平面IOO與第一旋轉軸線12 重合地設置。第二振動質量20具有第二質量對稱軸線23，該第二質量對稱 軸線平行于主延伸平面100與第二旋轉軸線22和第一質量對稱軸線13間 隔開。尤其是，第一質量對稱軸線13設置在關于第一和第二旋轉軸線12、 22的第一側102，并且第二質量對稱軸線23設置在關于第一和第二旋轉軸 線12、 22并且平行于主延伸平面100與第一側102對置的第二側103，使 得加速度101產生相反的第一轉動104和第二轉動105。這通過非對稱的懸 掛和/或通過各個振動質量10、 20關于相應旋轉軸線12、 22的非對稱質量 分布產生，其中，所述非對稱的懸掛或者說質量分布優選通過各個振動質 量10、 20平行于主延伸平面100的能夠可變地選擇的延伸尺寸產生。第一 轉動104和第二轉動105導致第一振動質量10和第二振動質量20之間的 在第一側102和第二側103相反的距離變化。這通過測量在第一振動質量 10上并且在第一側102的第一電極14和在第二振動質量20上且在第一側 102的第二電極24之間的第一電容3來檢測，該第二電極24垂直于主延伸 平面100與第一電極14至少部分地重疊。同時測量在第一振動質量10上 并且在第二側103的另一個第一電極14'和在第二振動質量20上且在第二 側103的另一個第二電極24'之間的第二電容3'，該另一個第二電極24，垂 直于主延伸平面100與另一個第一電極14'至少部分地重疊。第一轉動104 和第二轉動105導致第一電容3和第二電容3'的變化，相應的變化被轉換 成第一電壓信號4和第二電壓信號4'和/或共同的差動信號5。
在圖3中示出用于運行根據本發明的示例性實施方式的微機械式傳感 器元件l的方法的示意圖，其中，第一電極14和第二電極24表示為具有 第一電容3的第一電容器，并且另一個第一電極14，和另一個第二電極24，表示為具有第二電容3'的第二電容器。第一電極14借助第一印刷導線200 與第一電容-電壓轉換器201連接，而^一個第一電極M，借助第二印刷導 線202與第二電容-電壓轉換器203連接。第二電極24和另一個第二電極 24，共同通過第三印刷導線204既與第一電容-電壓轉換器201又與第二電容 -電壓轉換器203連接。第一電容-電壓轉.換器201產生與第一電容3的變化 成比例的第一電壓信號4，并且第二電容-電壓轉換器203產生與第二電容 3'的變化成比例的第二電壓信號4'。第一電壓信號4和第二電壓信號4，借 助差動放大器205轉換成與加速度101成比例的差動信號5。
權利要求
1.一種微機械式傳感器元件(1)，其具有基底(2)和懸掛在該基底(2)上的第一振動質量(10)，該第一振動質量(10)能夠通過垂直于主延伸平面(100)作用的加速度從第一靜止位置偏轉出來，其特征在于，該微機械式傳感器元件(1)具有第二振動質量(20)，該第二振動質量(20)能夠通過所述加速度而從第二靜止位置偏轉出來，其中，第一振動質量(10)與第二振動質量(20)被設置成垂直于主延伸平面(100)至少部分地重疊。
2. 如權利要求l所述的微機械式傳感器元件(1)，其特征在于，第一 振動質量(10)借助第一耦合元件(11)基本上可繞第一旋轉軸線(12) 轉動地直接或間接固定在基底(2)上，并且第二振動質量(20)借助第二 耦合元件(21)基本上可繞第二旋轉軸線(22)轉動地直接或間接固定在 基底(2)上，其中，第一旋轉軸線(12)和第二旋轉軸線(22)相互平行 地設置和/或垂直于主延伸平面(100)基本上重合地設置。
3. 如前述權利要求中任一項所述的微機械式傳感器元件(1)，其特征 在于，第一振動質量(10)具有第一質量對稱軸線(13)并且第二振動質 量(20)具有第二質量對稱軸線(23)，其中，優選地是，第一質量對稱軸 線(13)和第二質量對稱軸線(23)基本上平行于第一旋轉軸線(12)和 第二旋轉軸線(22)定向，特別優選的是，第一質量對稱軸線(13)平行 于主延伸平面(100)與第二質量對稱軸線(23)間隔開距離地設置。
4. 如前述權利要求中任一項所述的微機械式傳感器元件(1)，其特征 在于，第一耦合元件(11)和第二耦合元件(21)垂直于主延伸平面(100) 重合地設置并且優選地包括扭轉彈簧元件和/或彎曲彈簧元件。
5. 如前述權利要求中任一項所述的微機械式傳感器元件(1),其特征 在于，第一耦合元件(11)直接地固定在基底(2)上和/或第二耦合元件(21) 直接地固定在第一耦合元件(11)、基底(2)和/或第一振動質量(10)上。
6. 如前述權利要求中任一項所述的微機械式傳感器元件(1)，其特征在于，第一振動質量(10)具有一個第一電極(14)和尤其是另一個第一 電極(14')，并且第二振動質量(20)具有一個第二電極(24)和尤其是 另一個第二電極(24')，其中，第一電極(14)與第二電極(24)被設置 成垂直于主延伸平面(100)重疊，并且尤其是另一個第一電極(14，)與 另一個第二電極(24')被設置成垂直于主延伸平面(100)重疊。
7. 如前述權利要求中任一項所述的微機械式傳感器元件(1)，其特征 在于，第一質量對稱軸線(13)和/或第一旋轉軸線(12)被設置成在第一 電極(14)和另一個第一電極(14')之間延伸，第二質量對稱軸線(23) 和/或第二旋轉軸線(22)被設置成在第二電極(24)和另一個第二電極(24') 之間延伸。
8. 如前述權利要求中任一項所述的微機械式傳感器元件(1)，其特征 在于，第一振動質量(10)的質量和第二振動質量(20)的質量不同。
9. 如前述權利要求中任一項所述的微機械式傳感器元件(1)，其特征 在于，第一振動質量(10)和第二振動質量(20)被集成在一個殼體(2，) 內，其中，該殼體(2')尤其具有一個蓋(2")。
10. —種用于制造如前述權利要求中任一項所述的微機械式傳感器元 件(1)的方法，其特征在于，在第一制造步驟中提供與第一振動質量(10) 一起的基底(2)，其中在第二制造步驟中提供懸掛在另一個基底上的第二 振動質量(20)并且在接下來的第三制造步驟中將該另一個基底如此地設 置在所述基底(2)上，使得第一振動質量(10)與第二振動質量(20)垂 直于主延伸平面(100)至少部分地重疊。
11. 一種用于運行如權利要求1至9中任一項所述的微機械式傳感器 元件(1)的方法，其特征在于，通過測量第一電極(14)和第二電極(24) 之間的第一電容(3)的變化和/或另一個第一電極(14')和另一個第二電 極(24')之間的第二電容(3')的變化來確定微機械式傳感器元件(1)的 加速度。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，第一電容(3)的變化 被轉換成第一電壓信號(4)并且第二電容(3')的變化被轉換成第二電壓 信號(4')，第一電壓信號(4)和第二電壓信號(4，)之間的差被轉換成差 動信號(5)。
全文摘要
本發明提出了一種微機械式傳感器元件以及制造微機械式傳感器元件的方法和運行微機械式傳感器元件的方法，該微機械式傳感器具有基底和懸掛在該基底上的第一振動質量，該第一振動質量能夠通過垂直于主延伸平面作用的加速度而從第一靜止位置偏轉出來，其中，該微機械式傳感器元件具有第二振動質量，該第二振動質量能夠通過所述加速度而從第二靜止位置偏轉出來，其中，第一振動質量與第二振動質量被設置成垂直于主延伸平面至少部分地重疊。
文檔編號B81B7/02GK101628704SQ20091016072
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月17日 優先權日2008年7月18日
發明者M·奧分貝格, M·鮑斯 申請人:羅伯特·博世有限公司