专利名称：在非对称质量分布情况下具有对称面结构的微机械传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机械结构元件，具有带有基底平面的基底和摆动梁 形式的振动质量，该摆动梁可旋转地悬置于基底平面上方，其中，摆动梁 具有旋转轴，该旋转轴平行于基底平面延伸，其中，摆动梁具有位于旋转 轴之外的重心。
背景技术：
用于测量动态量，如加速度、转速和力的微机械传感器在现有技术中 是已经公知的。特别是将微机械元件用作汽车应用中的安全气囊传感器或 行驶动力学传感器。 一种示例性的装置具有可弹性偏转的电容电极，该可 弹性偏转的电容电极与两个固定设置的电容电极各构成一个测试电容。根 据差分电容测量原理检测传感器信号。微机械传感器可作为功能结构安置 在基底表面上。微机械加速度传感器在其检测方向方面各不相同。特别是 可以通过平面内(即在基底平面内)的和平面外(即从基底平面中伸出)
的不同设计来实现传感元件。目前，平面外(out-of-plane)传感元件在一 种示例性实施方式中被实现为所谓的z摆动梁结构，其中，分别检测摆动 梁和固定设置的电容电极之间的测量电容。测量电极设计成与摆动梁的悬 挂装置(扭簧)相距非对称的距离。为了保证在施加的加速度作用下的偏 转，摆动梁的一侧被设计为比以摆动梁轴为参考而相对置的一侧更长。在 此，从悬挂点伸出的臂中的一个臂设计得比另一个臂更长。在该结构朝着 基底平面外的方向加速时，这种摆动梁的非对称面分布以及因此的非对称 质量分布导致摆动梁结构的偏转。例如在专利申请DE 195 41 388 Al中对 这种传感器进行了描述。
然而，基底势能的变化可能影响输出信号。例如，电荷在关于旋转点 非对称悬挂的摆动梁结构上的力作用可以导致偏转量，即导致摆动梁电极 的预偏转。在电荷均匀分布的情况下，相对于具有较小面积的摆动梁侧， 在具有较大面积的摆动梁侧上出现更大的力。特别地，电荷变化由此导致传感器偏转量的不利的变化，这个变化不是由测量值加速度的变化引起的。
从专利文献DE 103 50 536 B3中公知了一种"用于减少基底势能对微 机械传感器的输出信号的影响的方法"。那里所述的方法尤其基于力作用 通过均匀分布的电荷而对称地作用在传感器的偏转侧上。这种方法至今仅 可与平面内(in-plane)检测元件(x， y传感器) 一起使用。
具有非对称摆动梁结构的传感器对于两个不同的偏转侧具有不同的止
挡加速度。与较短侧相比，振动质量的长侧在加速度较低时机械地撞向基 底的底部，而较短侧在加速度相反时撞向基底的底部。
发明内容
本发明涉及一种微机械结构元件，具有带有基底平面的基底和摆动梁 形式的振动质量，振动质量可旋转地悬置于基底平面上方，其中，摆动梁 具有旋转轴，该旋转轴平行于基底平面延伸，其中，摆动梁具有位于旋转 轴之外的重心。本发明的核心在于摆动梁被构造为在基底平面上的投影 中关于旋转轴基本上镜像对称。在侧视图中这意味着，摆动梁的两个臂长 度相同。
有利的是，对于加速度传感器而言所必需的、在悬挂点两侧上的非对 称的质量比例关系不像在至今为止的设计中那样通过不同长度的杆臂或不 同大小的面积来实现，而是在对称的，即相同长度的杆臂或相同大小的面 积的情况下通过不同的质量来实现的。
本发明有利地实现了平面外测量的微机械传感器元件(Z传感器)，在 该元件上可以使用在专利文献DE 103 50 536 B3中公开的"用于减少基底 势能对微机械传感器的输出信号的影响的方法"。
本发明有利地依照摆动梁原理实现了具有关于悬挂点对称的力的z传 感器，由此阻止或至少大大地避免了振动质量由于基底的电荷影响而发生 偏转。
本发明的有利的构型规定，在位于中央的旋转轴的第一侧上的第一摆 动梁部分具有与旋转轴的相对的第二侧上的第二摆动梁部分不同的厚度。 有利的是，摆动梁可以由唯一的材料制造，但具有位于旋转轴之外的重心。 有利的是，具有相同厚度的摆动梁例如由同一层组成并且附加地为了增加 厚度而局部具有附加的质量元件本发明的有利的构型规定，摆动梁由至少一种第一材料组成并在旋转 轴的第一侧的第一摆动梁部分上至少局部地具有由至少一种第二材料组成 的涂层。有利的是，通过摆动梁的部分涂层施加附加的质量。在此，第二 材料可以与第一材料相同。特别优选的是，第二材料也可以与第一材料不 同，特别是比第一材料更重的材料。
本发明的有利构型规定，第二材料是金属。同样有利的是，第一材料 是半导体，尤其是硅。
本发明的有利构型规定，在摆动梁朝向基底的第一表面上设置涂层。 本发明的另一有利构型规定，在摆动梁背离基底的第二表面上设置涂层。 这有利地实现了对于两个加速度方向Z和-Z，即指向基底的方向和从基底离 开的方向上两个摆动梁臂或摆动梁部分的对称的止挡特性。特别地，与在 已知的摆动梁设计中的止挡加速度相比，根据本发明也有利地增大了止挡 加速度，因为不再设置更长的摆动梁臂。
本发明的特别有利的构型规定，该结构元件具有电容式结构，其中与 第一摆动梁部分相对地在基底上设置第一固定电极和/或其中与第二摆动 梁部分相对地在基底上设置第二固定电极。有利的是，这种电容式传感器 对于作用在摆动梁上的静电力具有对称的力特性。
本发明的优点一方面在于降低了通过电荷产生的可能的力对传感器的 影响，其显示为变化的信号偏转量，另一方面在于保持重要的传感器参数
的情况下提高止挡加速度(机械限幅(Clipping))。为此，阻止或避免了两 个偏转侧的不对称的限幅/止挡。最后，通过本发明能够减少传感器芯的横 向尺寸，而不限制传感器的功能。
图1示出根据本发明的微机械传感器的第一实施例， 图2示出根据本发明的微机械传感器的第二实施例， 图3示出根据本发明的微机械传感器的第三实施例。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的微机械传感器的第一实施例。示出了具有基 底1的微机械结构元件，该基底1具有基底平面(x; y)。在基底上方设置具有微机械结构的微机械功能层，即摆动梁4形式的振动质量。摆动梁4 借助弹簧可旋转地悬置于基底平面上方。在此，摆动梁4具有旋转轴3，该 旋转轴与基底平面(x， y)平行地延伸。摆动梁4具有位于旋转轴3之外 的重心10。因此，z或-z方面上的加速度，例如加速运动或重力作用导致 摆动梁4的偏转，更确切地说导致摆动梁4的倾斜。还示出了在旋转轴3 的第一侧31上的第一摆动梁部分41，该第一摆动梁部分41至少局部地具 有与在旋转轴的对面的第二侧32上的第二摆动梁部分42不同的厚度。其 原因在于在第一摆动梁部分41上部分地设有由第二材料构成的涂层5。 在这个实施例中，涂层5设置在摆动梁4的第二表面420上，即上表面上。 根据本发明，摆动梁4被构造为在基底平面(x， y)的投影中关于旋转轴3 基本上是镜像对称的。也就是说，在俯视(z方向)摆动梁4时，第一摆动 梁部分41的形状和大小与第二摆动梁部分42相同。在侧视图中，这意味 着摆动梁的两个臂长度相同。该微机械结构元件具有电容式结构，其中， 第一固定电极2与第一摆动梁部分41相对置地设置在基底1上，并且其中， 第二固定电极6与第二摆动梁部分42相对置地设置在基底1上。
图2示出了根据本发明的微机械传感器的第二实施例。与根据图1的 实施例不同，在本实施例中，涂层5设置在摆动梁4的第一表面410上， 即设置在下表面上。涂层5设置成与第一固定电极2相对置。
图3示出了根据本发明的微机械传感器的第三实施例。与根据图2的 实施例不同，在本实施例中，涂层5不设置成与第一固定电极2相对置， 而是相对于第一固定电极2错位地设置。因此，第一固定电极被设置成正 好与摆动梁部分41的不具有涂层的区域相对置。
在图1、 2和3中所示的根据本发明的传感器的特征在于所述传感器 在硅微机械领域或其他领域中代表一种技术，该技术能够实现对微机械结 构的偏转进行电容分析，尤其是差分式电容分析。在此，电容在第一固定 电极2和第一摆动梁部分41之间以及在第二固定电极6和第二摆动梁部分 42之间，以及必要时在第一表面410上的第一摆动梁部分41上的涂层5 和第一固定电极2之间。
根据本发明，基底1上方的微机械载体结构(振动质量)也可旋转地 以旋转轴3悬挂在扭簧上，使得旋转轴3两侧的面积基本相同。也就是说， 第一摆动梁部分41和第二摆动梁部分42被构造为从上面俯视时具有相同中，这对应于摆动梁4两侧 的摆动梁臂41和42具有相同的长度。因此，可以这样地平衡出现在基底1 和振动质量4之间的(例如由电荷引起的)力，使得该力不导致摆动梁4 的偏转。这通过以下方式实现，即与面积大小成比例地出现的力相互平衡。 如果例如由电荷引起的力向下作用，那么在传感器位于根据图1的平衡位 置中时，摆动梁4的两侧受到相同大小的力，并且因此相同强度地被向下 拉动，即向基底l的方向被拉动。结果振动质量4未从其静止位置中运动 出来。与此相比，对于现有技术中的、具有不对称的摆动梁的传感器，在 摆动梁的较长的臂上的力占优，振动质量4在较长的一侧向下偏转，较短 的一侧则向上运动。
特别地，在根据本发明的传感器中，由电荷引起的力的均匀改变不导 致摆动梁位置的改变并且因此不导致偏转量的改变。
如果要优选地在微机械装置上方的罩(Kappe)和振动质量之间形成力， 那么图2和图3中的方案是有利的，因为摆动梁表面到罩的距离在整个面 积上几乎都是相同的，因此在平衡状态中由例如电荷产生的力不会使摆动 梁单侧地偏转。
为了对加速度灵敏地做出响应，必须在振动质量4的两个臂上建立非 对称的质量比例关系。取代如在已知设计中改变臂的长度，例如使两个臂 的厚度不同。特别地，也可以在臂的上面和下面放置与臂的材料不同的材 料，如重材料(例如金属)作为涂层5。在此，摆动梁4的重心10的期望 位置由涂层5的厚度和长度lM或底面积和材料的适配得到。
如果仅仅改变摆动梁4的上表面上的质量，即在摆动梁4的第二表面 420上设置涂层5，那么各个臂在相同的偏转下被止挡，与加速度的方向无 关。因此保证了对称的机械限幅特性。
权利要求
1.一种微机械结构元件，具有带有基底平面(x；y)的基底(1)和摆动梁(4)形式的振动质量，该摆动梁(4)可旋转地悬置于所述基底平面上方，其中，所述摆动梁(4)具有旋转轴(3)，该旋转轴平行于所述基底平面延伸，其中，所述摆动梁(4)具有位于所述旋转轴(3)之外的重心(10)，其特征在于，所述摆动梁(4)被构造为在所述基底平面上的投影中关于所述旋转轴(3)基本上镜像对称。
2. 根据权利要求1所述的微机械结构元件，其特征在于，在中央的所述旋转轴(3)的第一侧(31)上的第一摆动梁部分(41)具有与所述旋转轴的位于对面的第二侧(32)上的第二摆动梁部分(42)不同的厚度。
3. 根据权利要求1或2所述的微机械结构元件，其特征在于，所述摆动梁(4)由至少一种材料组成并且在所述旋转轴(3)的第一侧(31)上的第一摆动梁部分(41)上至少局部地具有由至少一种第二材料组成的涂层(5)。
4. 根据权利要求3所述的微机械结构元件，其特征在于，所述第二材料是金属。
5. 根据权利要求3所述的微机械结构元件，其特征在于，所述涂层(5)设置在所述摆动梁(4)的朝向所述基底(1)的第一表面(410)上。
6. 根据权利要求3所述的微机械结构元件，其特征在于，所述涂层(5)设置在所述摆动粱(4)的背离所述基底(1)的第二表面(420)上。
7. 根据权利要求3所述的微机械结构元件，其特征在于，所述涂层(5)既设置在所述摆动梁(4)的朝向所述基底(1)的第一表面(410)上也设置在所述摆动梁(4)的背离所述基底(1)的第二表面(420)上。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的微机械结构元件，其特征在于，所述结构元件具有电容结构，其中，第一固定电极(2)与所述第一摆动梁部分(41)相对置地设置在所述基底(1)上和/或第二固定电极(6)与所述第二摆动梁部分(42)相对置地设置在所述基底(1)上。
全文摘要
本发明涉及一种微机械结构元件，具有带有基底平面的基底和摆动梁形式的振动质量，该振动质量可旋转地悬置于所述基底平面上方，其中，所述摆动梁具有旋转轴，该旋转轴平行于所述基底平面延伸，其中，所述摆动梁具有位于所述旋转轴之外的重心。本发明的关键在于所述摆动梁被构造为在所述基底平面上的投影中关于所述旋转轴基本上镜像对称。
文档编号B81B5/00GK101683965SQ20091017517
公开日2010年3月31日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者M·拉贝 申请人:罗伯特·博世有限公司