微机械惯性传感器
技术领域
本发明涉及一种微机械惯性传感器。本发明还涉及一种用于制造微机械惯性传感器的方法。
背景技术
微机电加速度传感器(MEMS加速度传感器)现今使用在多种应用中，如汽车或消费领域。多种应用要求借助所谓的“低g”传感器实现在几g(重力加速度的倍数)的范围中的精确的加速度测量。所述低g传感器尤其使用在消费应用(智能手机、平板电脑等)中。在汽车领域中，除了例如用于行驶动态调节的低g传感器之外也使用所谓的高g传感器，例如用于探测为了触发安全气囊而出现的在至少100g的范围中的加速度。
传统地设置为，针对所述区域的每个区域分别设计单独的传感器。典型地，低g传感器在偏差或敏感性误差方面以及噪音方面的性能要求非常高，而对于高g传感器的要求稍微降低。高g传感器必须在没有电或机械限幅(clipping)的情况下尤其提供高的动态范围。
MEMS加速度传感器由悬挂在弹簧上的、可运动的质量和用于探测运动的电极组成。按照探测方向，所述运动可以涉及线性(例如x、y)运动或旋转运动(例如沿z方向)。由DE10 2008 001 442A1已知一种传感器，该传感器可以通过单个可运动地悬挂的质量和三个电极对来探测沿所有三个空间方向(x、y、z)的加速度。该发明利用所谓的z摆杆的特性，对于沿所有三个空间方向的加速度以“特定的”运动做出反应：沿x方向的偏移产生线性运动，沿y方向的偏移产生平面内旋转，沿z方向的偏移产生平面外旋转。下面也将该布置称为“单质量振动器”。然而在实践中证明为大的挑战的是，对于所有三个传感方向确保同样好的性能(例如在噪音以及偏差和敏感性误差方面)。为了改善单质量振动器的性能，已经在DE102012 200 740A1和DE 10 2016 207 866A1中提出固定电极的其他悬挂和电布线和特定的制造方法，例如凭借第二微机械层。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种改善的微机械惯性传感器。
根据第一方面，所述任务通过微机械惯性传感器解决，其具有：
-衬底；和
-附接到衬底上的振动质量，该振动质量这样构造，使得所述振动质量在第一笛卡尔坐标方向上具有约1g的低g加速度的探测能力；其中，
-振动质量还这样构造，使得所述振动质量在至少一个第二笛卡尔坐标方向上具有至少约100g的高g加速度的探测能力。
以该方式，提供一种具有至少一个高g通道和至少一个低g通道的微机械惯性传感器。以该方式，可以将所提到的测量敏感性集成在单个传感器上，这有利地减小用于加速度传感器的生产技术和成本方面的花费。
根据第二方面，所述任务通过用于制造微机械惯性传感器的方法来解决，所述方法具有以下步骤：
-提供衬底；
-提供附接到衬底上的振动质量，该振动质量这样构造，使得所述振动质量在第一笛卡尔坐标方向上具有约1g的低g加速度的探测能力；其中，
-振动质量还这样构造，使得所述振动质量在至少一个第二笛卡尔坐标方向上具有至少约100g的高g加速度的探测能力。
下面描述微机械惯性传感器的优选扩展方案。
微机械惯性传感器的有利的扩展方案的特征在于，振动质量构造为z摆杆，该振动质量借助于弹簧元件和附接元件居中地附接到衬底上，其中，弹簧元件的宽度分别在弹簧元件的长度的约2％和约5％之间。以该方式，通过特定的几何措施将高g功能与低g功能集于一个传感器中。结果由此实现，振动质量不仅能够感测沿z方向的加速度，而且也能够感测沿x方向和y方向的加速度。
微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，x电极和y电极相对于振动质量的间距限定为大于布置在衬底上的z电极相对于振动质量的间距。由此实现另外的几何措施，以便实现所提到的高g功能性和低g功能性的组合。
微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，x电极在振动质量的横向延展尺度上在振动质量的槽中连续地构造，其中，y电极与x电极分开地构造在振动质量的槽中。由此通过分开的电极感测沿x方向和y方向的加速度。
微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，xy电极在振动质量的横向延展尺度上在振动质量的槽中分别两件式地构造，其中，xy电极可以交替地交叉电连接。以该方式实现替代的设计，在该设计中可以通过单独一组电极探测沿x方向和y方向的加速度。有利地，所述传感器由此能够更小地实现。
微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，振动质量在横向总延展尺度上不对称地构造，其中，在振动质量下方，各一个z电极分别布置在相对于扭转轴相对置的区域上。以该方式，将用于感测沿x方向的加速度的横向传感器与z摆杆功能性聚集，使得结果上实现低g传感器(沿x方向的探测)和高g传感器(沿z方向的探测)。
微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，振动质量在横向总延展尺度上的不对称性的程度优选小于约30％，优选为约2％至约5％、更优选为约10％至约20％、更优选为约25％至约30％。由此提供不对称性的合适的、特定的尺寸。
微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，振动质量在横向总延展尺度上的不对称性的程度取决于沿z方向的探测能力地构造。有利地，由此可以按照待测量的加速度特定地构造振动质量的不对称性。
附图说明
下面参照多个附图详细描述本发明的其他特征和优点。相同的或功能相同的元件具有相同附图标记。附图尤其考虑用于说明本发明重要的原理并且不必按正确比例实施。出于更好的概要性可以设置为，不在所有的附图中画出所有的附图标记。
公开的方法特征类似地由相应公开的装置特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于微机械惯性传感器的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由用于制造微机械惯性传感器的方法的相应实施方案、特征和优点得出，反之亦然。
在附图中示出：
图1所提出的微机械惯性传感器的振动质量的俯视图；
图2处于第一连接状态中的、所提出的微机械惯性传感器的另外的实施方式的振动质量的俯视图；
图3处于第二连接状态中的、图2的所提出的微机械惯性传感器的振动质量的俯视图；
图4传统的微机械惯性传感器的振动质量的俯视图；
图5所提出的微机械惯性传感器的另外的实施方式的振动质量的俯视图；和
图6用于制造所提出的微机械惯性传感器的方法的原理性流程图。
具体实施方式
下面“低g”理解为约一倍的重力加速度g的加速度值，并且“高g”理解为至少百倍的重力加速度g的加速度值。
本发明的核心思想尤其是，将针对x方向和y方向的高g功能性集成到低g的z振荡器中并且将针对z方向的高g功能性集成到至少一个横向(x和/或y)传感器中。由此能够特别有利地针对低g的z传感器和低g的x和y传感器的性能要求。在性能方面要求不那么高的高g传感器能够以相对较低的费用集成到低g的传感器结构中。因此，整体上促进多轴加速度传感器的特别紧凑的构造方式，所述多轴加速度传感器将低g功能性和高g功能性集于一体，而有利地不存在关于低g通道的可实现的性能方面的值得注意的妥协。
在传感器的逐渐微型化的框架下有意义的可以是，低g功能性和高g功能性相互共存于一个芯片上或一个传感器包中，或者说这以尽可能少分开的MEMS结构来实现。在此，不会允许针对传感器的低g通道的性能妥协。
图1示意性示出，如何能够将针对x和y方向的高g功能性集成到z惯性传感器100中。可看出呈z摆杆形式的振动质量10，该振动质量构造为具有软的弹簧和大的质量以探测沿z方向的加速度的低g元件。通过固定的x电极11至14和固定的y电极20至29在振动质量10的槽中的布置和微机械惯性传感器的参数如弹簧长度和宽度、弹簧的起始点的半径或电极间距的相应适配来实现x电极和y电极的高g调整。画阴影线的区域是可自由运动的(下蚀刻的)功能平面到传感器衬底(未示出)上的附接点。
这种结构实现：
a)一个沿z方向的低g惯性传感器(即垂直于晶片平面)，
b)两个沿x方向和y方向的高g惯性传感器(即平行于晶片平面)。
所提出的惯性传感器通过以下改型来得到沿横向方向的高g特性：
-弹簧宽度：因为弹簧宽度以三次方包含到x/y弯曲刚度中并且对于z通道(扭转刚度)具有较小的影响，因此弹簧元件40、41的宽度B优选应大于长度L的2％，即B/L>0.02；
-电极间距：为了针对沿横向方向的高g功能性给予惯性传感器更大的可偏移性，x电极和y电极相对于振动质量10的电极间距d_lateral应大于在可偏移的振动质量10和衬底之间沿z方向的电极间距d_vertikal，由此适用：
d_lateral>d_vertikal
-在重力加速度下的偏移：这样调节参数质量分布、弹簧宽度和长度，使得振动质量10在施加重力加速度的情况下沿横向方向(x或y)的偏移比沿z方向的偏移(在z电极30、31的中点或中线上测量)至少小五倍。
可看出，在图1示出的微机械惯性传感器100的实施方式中，固定的x电极11至14和固定的y电极20至29彼此分开地构造。
结果是，通过图1的布置将低g的z传感器与沿x方向和y方向的高g功能性“聚集”或集于一个惯性传感器中。由此实现，振动质量10不仅可以沿z方向而且也可以沿x和y方向运动并且由此可以测量加速度值。振动质量10沿y方向的加速引起振动质量10围绕z轴的转动(通过旋转箭头标明)。
在所提出的惯性传感器100的另外的实施方式中，当xy电极11a至14b在时间上相继交叉地连接时，振动质量10的y运动(所述y运动是平面内旋转)也可以借助于这些xy电极探测。
图2示出xy电极11a至14b的用于探测x运动的连接状态并且图3示出xy电极11a至14b的用于探测旋转的y运动的连接状态。可看出，在图3中的xy电极11b、12b或13b、14b的连接相对于图2中的xy电极11b、12b或13b、14b的连接改变，这通过由ASIC操控的电子开关元件(未示出)实现。
结果由此实现，在振动质量10沿x方向偏移时和在沿y方向偏移时均能够准确地感测在振动质量10和xy电极11a至14b之间的电容变化。结果是，由此能够省去图1的单独的y电极20至29，这促进微机械惯性传感器100的更紧凑的结构方式。结果是，以该方式能够通过单独一组xy电极来探测振动质量沿x方向和y方向的偏移。有利地，由此可以成本更有利地实现惯性传感器100，因为需要更小的电极面积。
所提到的xy电极的换接或操控例如能够以时间复用方法实施，使得惯性传感器可以循环地探测振动质量10沿x方向和沿y方向的偏移。
在所提出的惯性传感器100的另外的实施方式中设置为，使传统的用于x方向的低g横向传感器“聚集”有沿z方向的高g功能性。图4以俯视图示出传统的低g横向传感器，其在拓扑上相应于DE 10 2009 045 391A1的图5。在此，可运动的振动质量10的中央结构居中地悬挂。所有的固定电极(例如11a、12a、11b、12b)同样布置在可运动的振动质量10的悬挂部附近的靠近中央的区域中。在可运动的振动质量10的左边和右边的较大的质量区域中布置有两个固定的机械止挡(未示出)，所述止挡限界振动质量10的最大偏移。
如果将不平衡部安置到这种x惯性传感器的典型地沿z方向已平衡的结构上，使得该不平衡部对于z加速度以平面外旋转或颠簸运动做出反应，那么通过添加z电极30、31(例如在传感器下方，如在图5中标明的那样)和附加质量10a和弹簧的相应调整得出针对z方向的高g功能性。图5的示图是非常示意性的，其中，必须详细优化可运动的振动质量10的弹簧几何结构和弹簧与悬挂点的间距，以便确保振动质量10沿x方向和z方向的不同的可运动性和敏感性。
而所提出的惯性传感器100的几何特征能够容易地由图4和5的比较看出：
-振动质量10的呈附加质量10a的形式的不平衡部，以便在施加高g加速度的情况下引起振动质量10的摆动，
-布置在惯性传感器100下方的z电极30、31，以便有区别地(一侧向上运动，另一侧向下运动)探测振动质量10的摆动。
当然也可以考虑，惯性传感器100的xz功能性通过相应于图1、2和3的弹簧拓扑实现。为了相比于z轴特别敏感地设计x轴，必须选择特别大的弹簧长度，因为弹簧长度线性地包含到扭转运动(对于z敏感性是重要的)、但以三次方包含到沿x方向的弯曲敏感性中。因为对弹簧伸长设置了一定的界限(由此使传感器的面保持在有意义的框架内)，替代于如图1至3中的简单梁也可以使用如呈S形弹簧(未示出)的形式的折叠弹簧。由此也能够增大弹簧的有效长度并且实现沿x方向和z方向的较高的柔韧性。
如果存在两个低g横向通道(x、y)并且所述低g横向通道中的至少一个得到附加的沿z方向的高g功能性，那么由此引起：
c)两个沿x方向和y方向的低g传感器(即平行于晶片平面)，
d)一个沿z方向的高g传感器(即垂直于晶片平面)。
结果，结合a)和b)，在使用仅三个能振动的结构的情况下得到三轴的低g惯性传感器(x、y、z)和三轴的高g惯性传感器(x、y、z)。面积需求相对于没有高g功能性的纯三轴的低g惯性传感器(x、y、z)而言仅稍微增大。尤其地，所述布置通常比三轴的低g惯性传感器在三轴的高g惯性传感器旁边的横向(并排的)布置更紧凑一些。
图6示出用于制造所提出的惯性传感器的方法的原理性流程图。
在步骤200中提供衬底。
在步骤210中，提供附接到衬底上的振动质量10，该振动质量这样构造，使得所述振动质量在第一笛卡尔坐标方向z；x上具有约1g的低g加速度的探测能力。
在步骤220中，这样构造振动质量10，使得所述振动质量在至少一个第二笛卡尔坐标方向x、y；z上具有至少约100g的高g加速度的探测能力。
虽然前面已参照具体实施例描述本发明，但本领域技术人员也可以实现前面未公开或仅部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。
