微机械传感器和用于制造微机械传感器的方法
【专利摘要】本发明提出一种微机械传感器，其包括具有主延伸平面的衬底和通过扭转单元与衬底连接的摆杆结构，扭转单元主要沿扭转轴线延伸，扭转轴线基本上平行于衬底的主延伸平面地设置，摆杆结构由静止位置绕扭转轴线可摆动到偏转位置中并且相对于扭转轴线具有非对称的质量分布，微机械传感器具有阻尼结构，阻尼结构配置用于阻尼摆杆结构沿与衬底的主延伸平面基本上平行的X方向的平移运动，和/或扭转单元具有第一扭转元件和与第一扭转元件连接的第二扭转元件，微机械传感器如此配置，使得摆杆结构绕扭转轴线的扭转模式的第一共振频率小于摆杆结构的振动模式的第二共振频率，振动模式包括摆杆结构沿与主延伸平面基本上平行的振动平面的振动运动。
【专利说明】微机械传感器和用于制造微机械传感器的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的微机械传感器。
【背景技术】
[0002]总所周知这样的微机械传感器。例如用于测量加速度的现代微机械传感器具有设置在衬底上的由硅(传感器芯)制成的微机械结构和分析处理电子装置。配置用于探测沿与衬底的主延伸平面正交的Z方向定向的加速度的微机械传感器典型地称为Z传感器。这样的Z传感器的传感器芯尤其具有可运动的摆杆结构，该摆杆结构绕与主延伸平面平行的扭转轴线从静止位置可摆动到偏转位置中。
【发明内容】
[0003]本发明的任务是提供一种改进的微机械传感器，其相对于从外部施加的干扰相对较不敏感。
[0004]根据并列的权利要求的按照本发明的微机械传感器和按照本发明的用于制造微机械传感器的方法相对于现有技术具有的优点在于，微机械传感器相对于干扰性的机械振荡相对较稳健。由此有利地可能的是，将该传感器尤其应用在发动机驱动的装置例如机动车的发动机室中，因为在此微机械传感器相对于通过发动机运行产生的振荡相对较稳健。优选地，微机械传感器——其随后也简单地称为传感器——具有包括扭转单元的弹簧装置，其中，弹簧装置、尤其弹簧装置的扭转单元如此配置，使得扭转模式的第一共振频率小于摆杆结构的振动模式的第二共振频率，其中，振动模式包括摆杆结构沿振动平面的一个或多个振动运动。由此有利地实现了干扰模式一例如干扰性的机械振荡一的激励频率与摆杆结构的第一共振频率的分离，其中，摆杆结构相对于平行于衬底的主延伸平面的加速度仍然是相对较不敏感的。通过传感器的相对较好的不敏感性有利地尽可能地避免了摆杆结构的由这样的外部干扰或平行于主延伸平面定向的加速度引起的从振动平面偏转出来，也就是说摆杆结构具有相对较小的横向敏感性。此外，通过按照本发明的阻尼结构尤其附加地相对好地阻尼摆杆结构沿振动平面的运动。
[0005]本发明有利的构型和扩展方案可由从属权利要求、以及参照附图的说明书得出。
[0006]按照一个优选的扩展方案设置，
[0007]-所述振动运动包括摆杆结构沿X方向的平移运动，其中，X方向基本上垂直于扭转轴线地设置；和/或
[0008]-所述振动运动包括摆杆结构绕与Z方向基本上平行的轴线的转动运动。
[0009]由此有利地可能的是，以简单和有效的方式阻尼多个不同的振动运动，从而微机械传感器相对于从外部施加的干扰是比较不敏感的。
[0010]按照另一优选的扩展方案设置，扭转单元包括由扭转单元的一个端部到另一个端部沿扭转轴线延伸的扭转单元长度，
[0011]-其中，扭转单元长度为小于摆杆结构的沿扭转轴线延伸的摆杆宽度的二分之一、优选小于其三分之一、特别优选地小于其四分之一、完全特别优选地小于其五分之一；和/或
[0012]-其中，第一扭转元件沿着第一主延伸方向具有扭转单元长度，其中，第二扭转元件沿着第二主延伸方向具有扭转单元长度，其中，第一和第二扭转元件经由两个或更多个连接元件尤其仅仅间接地相互连接，其中，两个或更多个连接元件沿着Y方向相互间隔开。
[0013]由此有利地可能的是，通过扭转单元的和/或另一扭转单元的明显缩短以及第一和/或第二扭转元件结构宽度的相应匹配，如此提高关于沿着扭转单元的和/或另一扭转单元的振动平面的振动运动的弹簧刚性(所谓的平面内刚性)，从而摆杆结构的第二共振频率或固有频率相对于第一共振频率超比例地提高。此外，在此以有利的方式第一共振频率基本上保持不变，从而尤其摆杆结构的机械敏感性或横向敏感性相对较小。由此实现了，通过干扰性的振荡典型地激励摆杆结构进行沿着振动平面以第二频率的振动运动，所述第二频率显著不同于扭转模式的第一频率。这样的干扰传感器运行的振荡大多是低频的，也就是尤其在2000Hz与10000Hz之间，其中，第二共振频率优选大于10000Hz。由此有利地实现了，扭转模式的幅度位于在对于相应的应用目的相对较有利的范围中，也就是例如基本上避免摆杆结构的碰撞。
[0014]按照另一优选的扩展方案设置，摆杆结构具有主要沿扭转轴线延伸的另一扭转单元，其中，扭转单元和另一扭转单元分别在相互背向的端部上连接在摆杆结构上并且分别在相互面对的端部上通过设置在扭转单元与另一扭转单元之间的固定元件连接在衬底上，其中，扭转单元的扭转单元长度和另一扭转单元的另一扭转单元长度基本上大小相等。
[0015]由此有利地可能的是，通过两个基本上相同地构造的扭转单元实现了微机械传感器相对于由外部施加的干扰的相对较高的不敏感性。优选地，扭转单元和/或另一扭转单元分别为扭转弹簧。按照本发明完全特别优选地，固定元件具有固定梁元件和另一固定梁元件，它们尤其分别无承载地构造。优选地，摆杆结构仅仅通过固定元件与衬底的本体(Festland)连接，特别优选地，固定元件仅仅部分地连接在本体上，也就是说尤其固定梁元件仅仅间接地通过固定元件与本体连接。特别优选地，固定元件的连接尽可能小，以便使得衬底的变形对摆杆结构的影响最小化。在此，这样的变形例如通过热感应的机械应力引起。此外特别优选地，固定梁元件相比于扭转单元刚性地构造或者具有相对较高的刚性。完全特别优选地，具有两个固定梁元件的固定元件沿着扭转轴线设置在两个扭转单元之间，而两个扭转单元沿着扭转轴线设置在扭转轴线的相对置的外端部上。基于由此实现的关于所述振动模式一也就是沿着振动平面的所期望的振动运动或者“平面内”振动模式一的更高的弹簧刚性特别有利地实现:振动模式的第二共振频率小于扭转模式的第一共振频率。
[0016]按照另一优选的扩展方案设置，第一扭转元件具有基本上平行于主延伸平面延伸的第一扭转元件结构宽度和基本上平行于Z方向延伸的第一扭转元件结构高度，其中，第二扭转元件具有基本上平行于主延伸平面延伸的第二扭转元件结构宽度和基本上平行于Z方向延伸的第二扭转元件结构高度，其中，第一和第二扭转元件结构宽度和/或第一和第二扭转元件结构高度如此配置，使得第一共振频率比第二共振频率优选小一个数量级，
[0017]-其中，第一扭转元件结构宽度为第二扭转元件结构宽度的优选0.5倍至2倍、特别优选0.8倍至1.4倍、完全特别优选1.0倍至1.2倍；和/或
[0018]-其中，第一扭转元件结构高度为第二扭转元件结构高度的优选0.01倍至0.4倍、特别优选0.05倍至0.2倍、完全特别优选基本上0.1倍。
[0019]由此有利地可能的是，提供一种改进的微机械传感器，其中，优选扭转单元具有i形或反i形，其中，由此以有利的方式摆杆结构的横向灵敏度相对较小。此外，弹簧装置或扭转单元如此配置，使得显著减小了摆杆结构通过由外部施加的干扰引起的所不期望的从振动平面运动出来。
[0020]按照另一优选的扩展方案设置，
[0021]-第一扭转元件具有第一导体结构和/或第二扭转元件具有第二导体结构，其中，第一和/或第二导体结构分别具有两个通过多个横向接片相互连接的横梁元件(Holmelement);和 / 或
[0022]-第一扭转元件基本上沿第一主延伸方向蜿蜒形地延伸，和/或第二扭转元件基本上沿第二主延伸方向蜿蜒形地延伸。
[0023]由此有利地可能的是，通过分别路径形构造的第一和/或第二扭转元件实现导体弹簧，其中，横梁元件尤其同样基本上具有i形状。由此有利地提高关于沿振动平面的振动运动的弹簧刚性，而不会改变关于绕扭转轴线的扭转模式的或扭转运动的扭转刚性。由此实现了第一和第二共振频率的分离，而不会显著改变横向敏感度。
[0024]按照另一优选的扩展方案设置，阻尼结构配置用于阻尼摆杆结构沿X方向的平移运动和/或用于阻尼摆杆结构绕轴线的转动运动，其中，尤其阻尼结构具有一个或多个阻尼元件，其中，尤其所述一个或多个阻尼元件设置在摆杆结构的沿与Z方向基本平行的投影方向穿过摆杆结构延伸的凹槽中，和/或设置在摆杆结构的第一侧、第二侧、第三侧和/或第四侧、优选相对置的侧上，其中，尤其第一、第二、第三和/或第四侧在静止位置中分别设置在振动平面中，和/或沿着与Z方向平行的投影方向设置在衬底与摆杆结构之间，和/或沿着与Z方向平行的投影方向设置在摆杆结构之上。
[0025]由此有利地可能的是，通过附加的阻尼结构提高沿振动平面的振动运动的阻尼(平面内阻尼)。尤其根据振动运动通过阻尼结构产生阻尼力，所述阻尼力反作用于振动运动。通过阻尼元件在摆杆结构的不同侧上的设置有利地阻尼平移运动和/或转动运动。由此有利地提供了一种改进的和相对于干扰性的机械振荡不敏感的传感器。
[0026]按照另一优选扩展方案设置，阻尼结构的一个或多个阻尼元件中的每一个分别具有运动固定地与摆杆结构连接的阻尼电极和与衬底运动固定地连接的相应的阻尼对应电极，其中，尤其一个或多个阻尼元件分别配置用于借助于滑动薄膜阻尼和/或挤压薄膜阻尼进行阻尼。
[0027]由此有利地可能的是，以简单和有效的方式阻尼振动运动，从而微机械传感器相对于由外部施加的干扰是比较不敏感的。
[0028]按照另一优选扩展方案设置，阻尼电极具有多个指形电极而阻尼对应电极具有多个对应指形电极，其中，多个指形电极分别具有沿Z方向延伸的指形结构高度，其中，摆杆结构具有沿Z方向延伸的摆杆结构高度，其中，指形结构高度基本上小于摆杆结构高度。
[0029]由此有利地可能的是，以简单和有效的方式阻尼振动运动，从而微机械传感器相对于由外部施加的干扰是比较不敏感的并且同时避免了摆杆结构碰撞在衬底固定的止挡件上，从而尤其提供了改进的微机械传感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]在附图中示出并且在以下的描述中进一步阐明本发明的各实施例。
[0031]附图示出:
[0032]图1至3:按照本发明的不同的实施方式的微机械传感器；
[0033]图4和5:按照本发明的不同的实施方式的微机械传感器的摆杆结构；
[0034]图6至19:按照本发明的不同的实施方式的微机械传感器。
【具体实施方式】
[0035]在不同的图中相同的部件总是设有相同的参考标记并且因此通常也分别仅仅一次命名或提及。
[0036]在图1中不出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I，其中，微机械传感器I在此示出以示意性的俯视图(图1，上方)和侧视图(图1，下方)中。
[0037]微机械传感器I具有包括主延伸平面的衬底10和通过扭转单元40与衬底10连接的摆杆结构20。扭转单元40主要沿扭转轴线102’延伸，其中，扭转轴线102’基本上平行于衬底10的主延伸平面100设置。在此，扭转轴线102’基本上平行于Y方向102延伸。
[0038]与Y方向102基本上垂直和与主延伸平面100基本上平行的方向在此称为X方向101，而与主延伸平面100基本上垂直的方向称为Z方向103。
[0039]摆杆结构在此尤其具有扭转单元40和另一扭转单元40’，它们分别主要沿扭转轴线102’延伸并且分别连接在衬底固定的连接元件11和运动的摆杆结构20上。
[0040]摆杆结构20由静止位置绕扭转轴线102’可摆动到偏转位置中。在此，摆杆结构20相对于扭转轴线102’具有非对称的质量分布，所述质量分布如此构造，使得根据沿与衬底10的主延伸平面100基本上垂直的Z方向103定向的对摆杆结构20的惯性力产生绕扭转轴线102’的转矩。根据转矩激励摆杆结构20进行绕扭转轴线102’的扭转运动或者激励摆杆结构20的扭转模式。
[0041]摆杆结构20在此尤其是矩形的，其中，摆杆结构20在此平行于X方向101沿摆杆长度201并且平行于Y方向102沿摆杆宽度202延伸。在此，摆杆结构20在静止位置中主要沿与主延伸平面100基本上平行的振动平面100’延伸。此外，摆杆结构20具有平行于Z方向103延伸的摆杆高度203。为了限制扭转模式的幅度，微机械传感器I在此尤其具有衬底固定的两个止挡件26，所述两个止挡件阻止摆杆结构20或质量20在侧向的过载加速度下达到临界的偏转。此外，摆杆结构20在此具有多个穿孔，所述多个穿孔分别沿与Z方向103平行的投影方向延伸穿过摆杆结构20。
[0042]在此，微机械传感器I具有电极装置70，其包括摆杆结构20、第一电极71、第二电极72以及第三电极73。在此，第一、第二和第三电极71、72、73分别沿与Z方向103平行的投影方向在衬底10与摆杆结构20之间并且尤其与摆杆结构20重叠地设置。通过电子电路(未示出)给摆杆结构20——其在此也称为摆杆20——和第三电极73施加称为CM的电位。给第一电极71施加称为Cl的电位，而第二电极72施加称为C2的电位。根据在摆杆结构20与第一电极71和/或在摆杆结构20与第二电极72之间的电容变化尤其探测摆杆结构20——例如与惯性力相关的——绕扭转轴线102’的扭转或倾斜。
[0043]在图2中在示意侧视图中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器1，其中，在此示出的实施方式基本上相应于根据图1说明的实施方式。在此，摆杆结构20具有层结构，所述层结构具有第一、第二和第三层200 ’、200 ”、200 ”’，它们沿Z方向103重叠地设置。在此，第二层200”沿Z方向103设置在第一层200’与第三层200”’之间。尤其第一层200’在此具有功能多晶硅(FP)，其中，第一层200’也称为FP层。在此，第二和/或第三层200”、200”’分别具有外延的多晶硅，其中，第三层200”’在此也称为EP层。优选地，第二层200’或者是牺牲层或者是氧化层。尤其借助于FP技术制造具有层结构的槽结构20，其中，有利地，尤其槽状摆杆结构20由第一、第二和第三层200’、200”、200”’形成。优选地，借助于FP技术由第一、第二和第三层200’、200”、200”’形成扭转弹簧40和/或另一扭转弹簧40’。
[0044]在图3中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器1，其中，在此所示的实施方式基本上相应于根据图1至2说明的实施方式。
[0045]按照一个替代的实施方式，扭转弹簧40和/或另一扭转弹簧包括各一个T形结构，其包括窄的——尤其具有20微米的高度和3微米的宽度——的竖梁和相对较宽的——具有大约2微米的高度和大约40微米的宽度——相对较薄的横梁。横梁尤其沿Z方向103设置在竖梁之下。由此有利地提高了扭转单元40关于沿振动平面100’的振动运动的刚性，然而这样构造的结构相对于横向加速度相对较敏感，所述横向加速度沿着振动平面定向，也就是说摆杆结构20是横向敏感的。
[0046]在图3中左上方示出了由一个唯一的层形成的摆杆结构20，其中，摆杆结构20在此根据侧向的——也就是平行于X方向101定向的——的横向加速度朝摆杆结构20的重心(参见箭头801)地仅仅沿着X方向101然而不沿着Z方向103偏转(参见箭头803)，从而不产生错误信号。通过箭头803标明旋转点的位置，所述旋转点沿Z方向103在此位于摆杆结构20的正中区域。在图3中左中央、左下方和右上方分别示出了由第一、第二和第三层200’、200”、200”’形成的摆杆结构20，其中，旋转点(通过箭头802示出)和重心(箭头801)沿Z方向103相互重叠和相互间隔开地设置。由此，摆杆结构根据横向加速度平行于主延伸平面100地从振动平面100’偏转出来(通过箭头803示出)。在图3中，在右上方，扭转单元40具有T形状，其中，在此通过横向加速度引起摆杆结构20从振动平面100’偏转出来，然而是以相反的旋转方向。按照本发明优选地，扭转单元40具有在图3中在右下方说明的i形状，其也称为i形弹簧，其中，构造为i形弹簧的扭转单元40尤其如此配置，使得摆杆结构20不具有横向敏感性，也就是说根据横向加速度平行于振动平面100’地仅仅沿着振动平面100’偏转并且不从振动平面100’偏转出来。
[0047]在图4和5中不出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I的摆杆结构20，其中，在此示出的摆杆结构20基本上相应于根据图1至3说明的摆杆结构20。在此，摆杆结构可通过平移弹簧840在固定元件11上与衬底10连接并且可直线地沿X方向101偏转。在此摆杆结构具有槽形状(图4)，其中，重心如此设置，使得根据横向加速度引起摆杆结构20从振动平面100’偏转出来(通过箭头803说明)(图5)。
[0048]在图6至19中示出了按照本发明的不同实施方式的微机械传感器1，其中，在此示出的实施方式基本上相应于彼此并且相应于根据图1至5说明的实施方式。
[0049]在图6中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I。在此，扭转单元40和另一扭转单元40’分别通过一个端部41连接在摆杆结构上并且通过另一个端部42连接在衬底固定的固定元件11上，其中，扭转单元40和另一扭转单元40’分别沿扭转轴线102’延伸，其中，固定元件11设置在两个扭转单元40、40’之间。两个扭转单元40、40’分别具有扭转单元长度43，其沿扭转轴线102’在一个端部41与另一个端部42之间延伸。此外，摆杆结构20在此尤其具有凹槽，扭转单元40、40’和固定元件11设置在所述凹槽中。
[0050]在图7中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I。在此，扭转单元40具有第一扭转元件50和第二扭转元件60，其中，第一扭转元件50沿与Z方向103平行的投影方向设置在第二扭转元件60与衬底之间并且基本上与第二扭转元件60重叠。此外，第一扭转元件50在此具有沿Z方向103延伸的第一扭转元件结构高度503，而第二扭转元件60在此具有沿Z方向103延伸的第二扭转元件结构高度603。此外，第一扭转元件50尤其与第二扭转元件60间隔开并且尤其在一个端部41和另一个端部42上分别通过连接元件44与第二扭转元件60仅仅间接地连接。
[0051]在图8中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I。在此，所述具有i形状或i形结构的扭转单元40、40’除了第一和第二扭转元件50、60之外还具有两个沿Y方向102并且与扭转轴线分别具有尤其相同的间距的梁元件53，所述两个梁元件通过梁连接元件54相互连接。
[0052]在图9、10和11中在透视图中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I。在此第一和第二扭转元件50、60借助于——也称为岛元件的——另外的连接元件63至少部分地一也就是沿Y方向102在多个相互间隔开的区域处一相互、例如仅仅间接地——连接。所述连接也可以连续地在扭转单元40的整个扭转单元长度43上延伸。尤其由此有利地例如在EP层200”’和FP层200’——它们具有不同的材料特性——中尽可能地通过以下方式避免不稳定性和/或自发的弯曲(所谓的屈曲(Buckling)):尤其在长的造为i形弹簧的扭转单元40、40’中沿着扭转轴线102’设置多个另外的连接元件63。
[0053]在图10中说明了，第一扭转元件50具有第一主延伸方向501而第二扭转元件60具有第二主延伸方向502。在此，第一扭转元件50沿第一扭转元件宽度501延伸，而第二扭转元件60沿第二扭转元件宽度601延伸。
[0054]在图12中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I，其中，扭转单元40在此具有应力解稱结构(Stressentkopplungsstruktur) 50’，其中，应力解稱结构50’尤其具有沿Y方向102可偏转的弹簧元件50’，其尤其是完全由EP层200’形成。优选地，可偏转的弹簧元件50’通过两个连接元件44与EP层200”’——也就是例如与摆杆结构20和/或第一和/或第二扭转元件50、60连接。
[0055]在图13和14中在透视图(图13)和俯视图(图14)中示出了按照本发明的一个实施方式的具有阻尼结构30的微机械传感器I。令人吃惊地已经发现，按照本发明的微机械传感器I相对于干扰性的机械振荡是特别不敏感的，尤其当传感器I安装在机动车的发动机室中时，这是因为，借助于阻尼结构30有利地尤其除了分离第一和第二共振频率之外实现了振动运动的阻尼。阻尼结构30在此配置用于阻尼沿X方向101的平移运动。在此，阻尼结构30具有两个阻尼元件31、32，其中，每个阻尼元件分别具有一个阻尼电极31和一个阻尼对应电极32 (参见图14)。在此，两个阻尼元件31、32设置在摆杆结构20的沿与Z方向103基本上平行的投影方向穿过摆杆结构20延伸的凹槽25中并且尤其设置在完全包围摆杆结构20的框架元件内。在此，摆杆结构20具有第一侧21、第二侧22、第三侧23和第四侧24。在此，第一和第二侧21、22沿着扭转轴线102’设置在摆杆结构20的相对置的端部上，而第三和第四侧23、24沿X方向101设置在摆杆结构20的相对置的端部上。此外，在此分别一个阻尼元件31、32设置在第一和第二侧21、22上，其中，阻尼电极31分别具有多个指形电极31’，而阻尼对应电极32分别具有多个对应指形电极32’。指形电极和对应指形电极31’、32’分别主要沿与Y方向102基本上平行的指形电极结构长度301延伸(图14)。阻尼结构30在此尤其如此配置，使得在摆杆结构20沿振动平面100’的振动运动中压缩设置在指形电极31与对应指形电极32之间的气体并且根据气体的压缩产生阻尼力，所述阻尼力阻尼摆杆结构20—在此沿X方向101的一的振动运动。以相应的方式可以阻尼摆杆结构20从振动平面100’偏转出来。
[0056]在图15中不出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I。在此,第一和第二共振频率的分离例如是通过扭转单元长度43的缩短和第一和/或第二扭转结构宽度501、601(参见图10)的相应匹配实现，从而在通过扭转单元长度43的缩短提高第二共振频率的情况下不改变或仅仅稍微地改变第一共振频率。通过缩短，有利地，关于沿振动平面100’的振动运动的弹簧刚性增加并且因此第二共振频率超比例地增加。优选地，未缩短的扭转单元40——所谓的标准i形弹簧——的扭转单元长度43优选在100微米与300微米之间、特别优选地在150微米与250微米之间、完全特别优选地基本上为190微米。在此，所谓缩短的扭转单元40的扭转单元长度对此替代地如例如在图15中所示的那样为在10微米与200微米之间、优选在30微米与90微米之间，完全特别优选地基本上为60微米。此夕卜，尤其扭转单元40通过固定元件11的固定梁元件12连接在衬底上。
[0057]在图16中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I。在此，第一扭转元件50具有第一导体结构51、52，而第二扭转元件60具有第二导体结构61、62，其中，第一和/或第二导体结构51、52、61、62分别具有两个通过多个横向接片52、62相互连接的横梁元件51、61。尤其按照本发明优选地，横梁元件51、61和/或横向接片52、62的平行于主延伸平面100延伸的结构宽度如此配置或匹配，使得横向敏感性是小的。
[0058]在图17中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I。在此，阻尼结构30具有三个阻尼元件31、32，其中，在此，三个阻尼元件31、32中的一个阻尼元件31、32设置在第四侧24上，从而阻尼摆杆结构20绕与Z方向103基本上平行的轴线103’的转动。附加地，也可以在第一、第二和/或第三侧21、22、23上设置阻尼元件31、32，以便阻尼例如摆杆结构20沿X方向101和/或Y方向102的平移运动。优选地，设置在第三侧上的阻尼元件31、32和/或所有阻尼元件31、32的所有指形电极31’和/或对应指形电极32’分别具有沿Z方向103延伸的指形电极结构高度303，其小于摆杆结构高度303，以便尤其避免在摆杆结构20绕扭转轴线102’的扭转运动或摆杆运动中摆杆结构的碰撞。
[0059]在图18和19中在不同的俯视图中示出了按照本发明的一个实施方式的微机械传感器I。在此，尤其说明了阻尼结构30的指形电极或对应指形电极31’、32’的作用原理。指形电极31’和/或对应指形电极32’尤其分别具有在10微米与100微米之间、优选在30微米与90微米之间、特别优选大约68微米的指形结构长度301。此外，指形电极31’和/或对应指形电极32’分别具有尤其与指形电极31’的或对应指形电极32’的主延伸方向垂直地延伸的在I微米与10微米之间、优选在I微米与5微米之间、特别优选为大约2微米的结构宽度。指形电极31’和对应指形电极32’尤其分别基本上具有沿与指形电极的或对应指形电极31’、32’的主延伸方向延伸的方向的电极间距，其中，电极间距优选为在I微米与10微米之间、特别优选地在3微米与6微米之间、完全特别优选地为大约4.3微米。
【权利要求】
1.一种微机械传感器(I)，其包括具有主延伸平面(100)的衬底(10)和通过扭转单元(40)与所述衬底(10)连接的摆杆结构(20)，其中，所述扭转单元(40)主要沿扭转轴线(102’)延伸，其中，所述扭转轴线(102’)基本上平行于所述衬底(10)的主延伸平面(100)地设置，其中，所述摆杆结构(20)由静止位置绕所述扭转轴线(102’ )可摆动到偏转位置中，其中，所述摆杆结构(20)相对于所述扭转轴线(102’ )具有非对称的质量分布，其中，所述质量分布如此构造，使得根据沿与所述衬底(10)的主延伸平面(100)基本上垂直的Z方向(103)定向的对所述摆杆结构(20)的惯性力引起所述摆杆结构(20)绕所述扭转轴线(102’ )的扭转运动，其特征在于， 所述微机械传感器(I)具有阻尼结构(30)，其中，所述阻尼结构(30)配置用于阻尼所述摆杆结构(20)沿与所述衬底(10)的主延伸平面(100)基本上平行的X方向(101)的平移运动，和/或 所述扭转单元(40)具有第一扭转元件(50)和与所述第一扭转元件(50)连接的第二扭转元件(60)，其中，所述第一扭转元件(50)具有基本上平行于所述扭转轴线(102’ )延伸的第一主延伸方向(502)，而第二扭转元件(60)具有基本上平行于所述扭转轴线(102’)延伸的第二主延伸方向(602),其中，所述第一和第二主延伸方向(502、602)沿与所述Z方向(103)基本上平行的投影方向相互间隔开地设置，其中，所述第一和第二扭转元件(50、60)沿所述投影方向至少部分地相互重叠，其中，所述微机械传感器(I)如此配置，使得所述摆杆结构(20)绕所述扭转轴线(102’ )的扭转模式的第一共振频率小于所述摆杆结构(20)的振动模式的第二共振频率，其中，所述振动模式包括所述摆杆结构(20)沿与所述主延伸平面(100)基本上平行的振动平面(100’ )的振动运动。
2.根据权利要求1所述的微机械传感器(I)，其特征在于， 所述振动运动包括所述摆杆结构(20)沿所述X方向(101)的平移运动，其中，所述X方向(101)基本上垂直于所述扭转轴线(102’ )地设置；和/或 所述振动运动包括所述摆杆结构(20)绕与所述Z方向(103)基本上平行的轴线(103’ )的转动运动。
3.根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器(I)，其特征在于，所述扭转单元(40)具有由所述扭转单元(40)的一个端部(41)到另一个端部(42)沿所述扭转轴线(102’ )延伸的扭转单元长度(43)， 其中，所述扭转单元长度(43)小于所述摆杆结构(20)的沿所述扭转轴线(102’)延伸的摆杆宽度(202)的二分之一、优选小于其三分之一、特别优选地小于其四分之一、完全特别优选地小于其五分之一；和/或 所述第一扭转元件(50)沿着所述第一主延伸方向(502)具有所述扭转单元长度(43)，其中，所述第二扭转元件￠0)沿着所述第二主延伸方向(602)具有所述扭转单元长度(43)，其中，所述第一和第二扭转元件(50、60)通过两个或更多个连接元件(44)尤其仅仅间接地相互连接，其中，所述两个或更多个连接元件(44)沿着Y方向(102)相互间隔开。
4.根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器(I)，其特征在于，所述摆杆结构(20)具有主要沿所述扭转轴线(102’ )延伸的另一扭转单元(40’)，其中，所述扭转单元(40)和所述另一扭转单元(40’)分别在相互背向的端部(41)上连接在所述摆杆结构(20)上并且分别在相互面对的端部(42)上通过设置在所述扭转单元(40)与所述另一扭转单元(40’ )之间的固定元件(11)连接在所述衬底(20)上，其中，所述扭转单元(40)的扭转单元长度(43)和所述另一扭转单元(40’ )的另一扭转单元长度(43’ )基本上大小相等。
5.根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器(I)，其特征在于，所述第一扭转元件(50)具有基本上平行于所述主延伸平面(100)延伸的第一扭转元件结构宽度(501)和基本上平行于所述Z方向(103)延伸的第一扭转元件结构高度(503)，其中，所述第二扭转元件(60)具有基本上平行于所述主延伸平面(100)延伸的第二扭转元件结构宽度(601)和基本上平行于所述Z方向(103)延伸的第二扭转元件结构高度(603)，其中，所述第一和第二扭转元件结构宽度(501、601)和/或所述第一和第二扭转元件结构高度(503、603)如此配置，使得所述第一共振频率比所述第二共振频率小优选一个数量级， 其中，所述第一扭转元件结构宽度(501)为所述第二扭转元件结构宽度(601)的优选0.5倍至2倍、特别优选0.8倍至1.4倍、完全特别优选1.0倍至1.2倍；和/或 其中，所述第一扭转元件结构高度(503)为所述第二扭转元件结构高度(603)的优选0.01倍至0.4倍、特别优选0.05倍至0.2倍、完全特别优选基本上0.1倍。
6.根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器(I)，其特征在于， 所述第一扭转元件(50)具有第一导体结构(51、52)和/或所述第二扭转元件￠0)具有第二导体结构(61、62)，其中，所述第一和/或第二导体结构(51、52、61、62)分别具有两个通过多个横向接片(52、56)相互连接的横梁元件(51、61);和/或 所述第一扭转元件(50)基本上沿所述第一主延伸方向(502)蜿蜒形地延伸，和/或所述第二扭转元件￠0)基本上沿所述第二主延伸方向(602)蜿蜒形地延伸。
7.根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器(I)，其特征在于，所述阻尼结构(30)配置用于阻尼所述摆杆结构(20)沿所述X方向(101)的平移运动和/或用于阻尼所述摆杆结构(20)绕所述轴线(103’ )的转动运动，其中，尤其所述阻尼结构(30)具有一个或多个阻尼元件(31、32)，其中，所述一个或多个阻尼元件(31、32)尤其设置在所述摆杆结构(20)的沿与所述Z方向(103)基本平行的投影方向穿过所述摆杆结构(20)延伸的凹槽(25)中，和/或设置在所述摆杆结构(20)的第一侧(21)、第二侧(22)、第三侧(23)和/或第四侧(24)、优选相对置的侧(21、22、23、24)上，其中，尤其所述第一、第二、第三和/或第四侧(21、22、23、24)在所述静止位置中分别设置在所述振动平面(100’ )中，和/或沿着与所述Z方向(103)平行的投影方向设置在所述衬底(10)与所述摆杆结构(20)之间，和/或沿着与所述Z方向(103)平行的投影方向设置在所述摆杆结构(20)之上。
8.根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器(I)，其特征在于，所述阻尼结构(30)的所述一个或多个阻尼元件(31、32)中的每一个分别具有运动固定地与所述摆杆结构(20)连接的阻尼电极(31)和与所述衬底(10)运动固定地连接的相应的阻尼对应电极(32)，其中，尤其所述一个或多个阻尼元件(31、32)分别配置用于借助于滑动薄膜阻尼和/或挤压薄膜阻尼进行阻尼。
9.根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器(I)，其特征在于，所述阻尼电极(31)具有多个指形电极(31’)而所述阻尼对应电极(32)具有多个对应指形电极(32’)，其中，所述多个指形电极(31’)分别具有沿所述Z方向(103)延伸的指形结构高度(303)，其中，所述摆杆结构(20)具有沿所述Z方向(103)延伸的摆杆结构高度(203)，其中，所述指形结构高度(303)基本上小于所述摆杆结构高度(203)。
10.一种用于制造根据以上权利要求中任一项所述的微机械传感器(I)的方法，其特征在于，在第一制造步骤中提供具有主延伸平面(100)的衬底(10)，其中，摆杆结构(20)通过扭转单元(40)与所述衬底(10)连接，其中，所述扭转单元(40)主要沿扭转轴线(102’)延伸，其中，所述扭转轴线(102’ )基本上平行于所述衬底(10)的主延伸平面(100)地设置，其中，所述摆杆结构(20)如此构造，使得所述摆杆结构(20)由静止位置绕所述扭转轴线(102’)可摆动到偏转位置中，其中，所述摆杆结构(20)相对于所述扭转轴线(102’)的质量分布如此非对称地构造，使得根据沿与所述衬底(10)的主延伸平面(100)基本上垂直的Z方向(103)定向的对所述摆杆结构(20)的惯性力引起所述摆杆结构(20)绕所述扭转轴线(102’ )的扭转运动，其中，在第二制造步骤中将阻尼结构(30)连接在所述微机械传感器(I)上，其中，将所述阻尼结构(30)配置用于阻尼所述摆杆结构(20)沿与所述主延伸平面(100)基本上平行的X方向(101)的平移运动，和/或，其中，在第三制造步骤中由所述扭转单元(40)构造第一扭转元件(50)和与所述第一扭转元件(50)连接的第二扭转元件(60)，其中，所述第一扭转元件(50)的第一主延伸方向(502)和所述第二扭转元件(60)的第二主延伸方向(602)分别基本上平行于所述扭转轴线(102’ )地设置，其中，所述第一和第二主延伸方向(502、602)沿与所述Z方向(103)基本上平行的投影方向相互间隔开地设置，其中，所述第一和第二扭转元件(50、60)沿所述投影方向至少部分相互重叠地设置，其中，在第四制造步骤中所述扭转单元(40)如此配置，使得所述摆杆结构(20)绕所述扭转轴线(102’)的扭转模式的第一共振频率小于所述摆杆结构(20)的振动模式的第二共振频率，其中，所述振动模式包括所述摆杆结构(20)沿与所述主延伸平面(100)基本上平行的振动平面(100’ )的振动运动。
【文档编号】G01P15/08GK104422786SQ201410418229
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】G-N-C·乌尔希里, A·奥尔托 申请人:罗伯特·博世有限公司