CN101639487B - 三轴加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加速度传感器，尤其是三轴加速度传感器，该加速度传感器包括基底和第一质量元件，该第一质量元件如此地与基底连接，使得第一质量元件能绕一轴线旋转，其中，第一质量元件如此地与第二质量元件连接，使得该第二质量元件能沿着平行于所述轴线的第一方向运动，并且第一质量元件如此地与第三质量元件连接，使得该第三质量元件能沿着垂直于所述轴线的第二方向运动。

Description

三轴加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种具有设置在基底平面上方的质量的加速度传感器。
背景技术
就在娱乐和汽车电子装置中的应用而言，三轴加速度传感器、特别是微机械式三轴加速度传感器是需要的。在此，希望加速度传感器具有尽可能紧凑的结构方式。
微机械式加速度传感器的基本原理在于，振动质量借助于悬挂装置相对于固定电极可动地支承在基底上。振动质量和固定电极形成一个或多个电容器。由作用在微机械式加速度传感器上的加速度引起的振动质量偏移导致这些电容器的电容变化，所述电容变化能被检测并作为起作用的加速度的大小的尺度。为了避免零点偏差，优选差动地分析计算所述电容变化。
在现有技术中，三轴加速度传感器通过三个彼此无关的、具有分开的振动质量的传感器芯体实现，这些传感器芯体并排设置在一个共同的芯片上。这导致高的空间需求和相对大的加速度传感器。
发明内容
本发明的目的是，提供一种改进的微机械式三轴加速度传感器。该目的通过按照本发明的加速度传感器来实现。
按照本发明，加速度传感器包括基底和第一质量元件，该第一质量元件如此地与该基底连接，使得第一质量元件能绕一轴线旋转，其中第一质量元件如此地与第二质量元件连接，使得该第二质量元件沿着平行于所述轴线的第一方向运动，并且其中，第一质量元件如此地与第三质量元件连接，使得该第三质量元件能沿着垂直于所述轴线的第二方向运动。有利地，该加速度传感器可构造成极其紧凑的。
优选地，第一质量元件关于所述轴线非对称地构造。因此，垂直于基底平面作用的加速度引起质量元件绕该轴线倾斜，这改善了该加速度的可检测性。
在加速度传感器的一种优选实施方式中，基底是硅基底。由此可以使用与常规的硅加工工艺兼容的方法来制造该加速度传感器。
加速度传感器的一种设计方案规定，至少一个牢固地与基底连接的检测电极与第一质量元件对置，所述检测电极允许检测第一质量元件绕所述轴线的旋转。在该实施方式的一种扩展方案中，设置有至少两个检测电极，其中，这些检测电极允许差动地分析计算第一质量元件绕所述轴线的旋转。通过该差动分析计算能抑制加速度传感器的零点偏差。
优选地，在所述轴线的两侧各设有一个检测电极，其中，这两个检测电极关于所述轴线彼此对称地构造。该对称带来了在加速度传感器的线性和偏置稳定性方面的优点。
在加速度传感器的一种设计方案中，第一质量元件具有一框架，其中第二质量元件通过至少一个能在第一方向上延展的弯曲弹簧与该框架连接。在另一种设计方案中，第三质量元件通过至少一个能在第二方向上延展的弯曲弹簧与该框架连接。这些设计方案能实现加速度传感器的非常紧凑的结构。
在一种优选的实施方式中，第二质量元件具有第一指形电极，牢固地与基底连接的第一基底电极与这些第一指形电极对置，其中，这些第一指形电极和基底电极允许检测第二质量元件在第一方向上的偏移。
在另一种优选的实施方式中，第三质量元件具有第二指形电极，牢固地与基底连接的第二基底电极与这些第二指形电极对置，其中，这些第二指形电极和基底电极允许检测第三质量元件在第二方向上的偏移。
附图说明
图1示出三轴加速度传感器的第一实施方式；
图2示出三轴加速度传感器的第二实施方式。
具体实施方式
图1示出加速度传感器300的第一实施方式的示意图，该加速度传感器在z轴上设置在位于x-y平面内的基底322的表面上方。加速度传感器300适合于检测所有三个空间方向x、y、z上的加速度。加速度传感器300作为微机械式部件例如由硅基底制成。
加速度传感器300包括外框架313，该外框架设置在x-y平面内。该外框架313具有矩形的基本形状。外框架313的外棱边由第一框架件316、第二框架件317、第三框架件318和第四框架件319构成。第一框架件316和第三框架件318平行于y轴线定向。第二框架件317和第四框架件319平行于x轴线定向。由第一框架件316、第二框架件317、第三框架件318和第四框架件319包围的面积被平行于y轴定向的第五框架件320和第六框架件321分成三个在x方向上并排的区段。第一框架件316相对于第三框架件318加宽并构成附加质量303。
一个与基底连接的固定点301设置在由外框架313包围的三个面积区段中的中间区段中，该中间区段在第五框架件320、第二框架件317、第六框架件321和第四框架件319之间延伸。该固定点301通过两个在y方向上定向的z弹簧308与外框架313连接。这些z弹簧308被构造为扭转弹簧。第一z弹簧308连接固定点301与第二框架件317。第二z弹簧308连接固定点301与第四框架件319。这些z弹簧308形成在y方向上定向的旋转轴线，外框架313能绕该旋转轴线倾斜。
由外框架313包围的第二面积区段具有基本上正方形的形状并位于第一框架件316、第二框架件317、第五框架件320和第四框架件319之间。在该第二面积区段内部设置有第一内框架304，该第一内框架304构成一个质量元件并具有基本上正方形的基本形状。第一内框架304通过两个y弹簧307与外框架313连接。第一内框架304的、最靠近外框架313第二框架件317的棱边通过第一y弹簧307与第二框架件317连接。第一内框架304的、最靠近外框架313第四框架件319的棱边通过第二y弹簧307与第四框架件319连接。这两个y弹簧307具有曲折形或s形形状。这些y弹簧307构造成在y方向上是弹性的、在x和z方向上是刚性的。
由外框架313包围的第三面积区段具有基本上正方形的基本形状并且通过第六框架件321、第二框架件317、第三框架件318和第四框架件319限界。该面积区段基本上通过第二内框架305填满，该第二内框架构成一个质量元件。第二内框架305通过两个x弹簧306与外框架313连接。第二内框架305的、最靠近外框架313第六框架件321的外棱边通过第一x弹簧306与第六框架件321连接。第二内框架305的、最靠近外框架313第三框架件318的外棱边通过第二x弹簧306与第三框架件318连接。这些x弹簧306构造成曲折形或s形的梁式弹簧，并且在x方向上是弹性的、而在y和z方向上是刚性的。
第一内框架304被分成三个在x方向上并排的矩形面积区段。第一内框架304的中央面积区段被构造成面状的并在z方向上设置在牢固地与基底连接的第一z电极311的上方。第一z电极311在x和y方向上具有与第一内框架304的中央面积区段基本一样的延伸尺寸。第一内框架304的中央面积区段和第一电极311形成一个电容器，该电容器的电容与第一内框架304的中央面积区段到第一z电极311的距离有关。
第一内框架304的、设置在第一内框架304的中央面积单元两侧的面元件构造成具有在x方向上延伸的格栅杆的格栅，这些格栅杆构成多个y电极指315。这些y电极指315在z方向上设置在牢固地与基底连接的y基底电极310的上方。这些y电极指315和这些y基底电极310构成一个电容器，该电容器的电容与y电极指315到y基底电极310的距离有关。
由第二内框架305覆盖的面积被分成三个大致同样大的、矩形的、在y方向上并排的面积区段。第二内框架305的中央面积区段构造成面状的并且在z方向上设置在牢固地与基底连接的第二z电极312的上方。第二z电极312具有在x和y方向上与第二内框架305的中央面积区段基本相等的延伸尺寸。第二内框架305的中央面积区段和第二z电极312构成一个电容器，该电容器的电容与第二内框架305的中央面积区段到第二z电极312的距离有关。
第二内框架305的、设置在第二内框架305的中央面积区段两侧的面积区段构造成具有多个在y方向上延伸的格栅杆的格栅，这些格栅杆构成多个x电极指314。这些x电极指314设置在牢固地与基底连接的x基底电极309的z向上方。这些x电极指314和x基底电极309构成多个电容器，这些电容器的电容与x电极指314到x基底电极309的距离有关。
外框架313、y弹簧307、第一内框架304、x弹簧306和第二内框架305共同构成一个摆动质量302或者说质量元件。由于通过外框架313的第一框架件316构成附加质量303，摆动质量302关于由z弹簧308构成的旋转轴线非对称地构造。摆动质量302在由z弹簧308构成的旋转轴线的一侧具有比在该旋转轴线的另一侧多出附加质量303的质量。
在x方向上施加到加速度传感器300上的加速度引起在x方向上作用在第二内框架305上的力。该力导致x弹簧306的弹性变形和第二内框架305相对于外框架313的偏移。由于第二内框架305的偏移，x电极指314和x基底电极309之间的距离改变，由它们构成的电容器的电容由此改变。这可以借助于与加速度传感器300连接的电子分析装置来检测。该电容变化是施加到加速度传感器300上的加速度大小的尺度。
在x方向上作用的加速度也在x方向上产生作用在外框架313和第一内框架304上的力。因为y弹簧307和z弹簧308在x方向上刚性地构造，所以这些力不引起外框架313或第一内框架304的偏移。
在y方向上作用在加速度传感器300上的加速度导致在y方向上作用在第一内框架304上的力，并使该第一内框架由于y弹簧307的弹性变形而相对外框架313偏移。在y电极指315和y基底电极310之间的距离由此而改变，这使由y电极指315和y基底电极310构成的电容器的电容变化，这可以借助于与加速度传感器300连接的电子分析装置来检测和量化。电容变化是在y方向上作用的加速度大小的尺度。因为x弹簧306和z弹簧308在y方向上无法变形，所以第二内框架305和外框架313不发生偏移。
在z方向上施加到加速度传感器300上的加速度引起在z方向上作用在摆动质量302上的力，该力由于在由z弹簧308形成的旋转轴线一侧的附加质量303而导致施加到摆动质量302上的转矩并导致摆动质量302绕由z弹簧308构成的旋转轴线倾斜。作用在摆动质量302上的加速度越大，倾斜角就越大。由于摆动质量302的倾斜，第一内框架304和第一z电极311之间的距离以及第二内框架305和第二z电极312之间的距离改变。根据摆动质量302的倾斜方向的不同，所述距离之一增大，而另一个减小。由第一内框框304和第一z电极311构成的或者由第二内框架305和第二z电极312构成的电容器的电容由此改变。这借助于电子分析装置检测。两个电容的相反变化允许差动地分析计算电容变化，这提供了输出信号和输入加速度之间的线性化关系。
因为y弹簧307和x弹簧306不能在z方向上变形，所以第一内框架304和第二内框架305不会相对于外框架313偏移。
在图2中依据加速度传感器400示出本发明的第二实施方式。加速度传感器400在z方向上设置在位于x-y平面内的基底422的上方。基底422可例如是硅基底。加速度传感器400可以例如用半导体微结构化的方法制造。
加速度传感器400具有带有第一框架件416、第二框架件417、第三框架件418和第四框架件419的外框架413，这些框架件如一个矩形的各侧边那样布置。第一框架件416和第三框架件418平行于y轴定向。第二框架件417和第四框架件419平行于x轴定向。第一框架件416构造得比第三框架件418宽并由此构成附加质量403。
由外框架413包围的面被平行于y轴在第二框架件417和第四框架件419之间延伸的第五框架件420和第六框架件421分成三个在x方向上并排设置的面积区段。在由第五框架件420、第二框架件417、第六框架件421和第四框架件419限界的中央面积区段中，设有一个牢固地与基底连接的固定点401。外框架413通过两个在y方向上定向的z弹簧408与固定点401连接。第一z弹簧408从固定点401延伸到第二框架件413。第二z弹簧408从固定点401延伸到第四框架件419。z弹簧408实施成梁状的扭转弹簧并构成平行于y轴的旋转轴线，外框架413能绕该旋转轴线相对于位于x-y平面内的基底倾斜。
由第一框架件416、第二框架件417、第五框架件420和第四框架件419限界的面积区段基本上通过正方形的第一内框架404填满，该第一内框架404构成一个质量元件。第一内框架404的平行于第二框架件417的侧边通过第一y弹簧407与第二框架件417连接。第一内框架404的最靠近第四框架件419的侧边通过第二y弹簧407与第四框架件419连接。y弹簧407在y方向上是能弹性变形的，而在x和z方向上是刚性的。y弹簧407构造成曲折形或s形的梁式弹簧。y弹簧407允许第一内框架404相对外框架413偏移。
由第六框架件421、第二框架件417、第三框架件418和第四框架件419限界的面积区段基本上由第二内框架405填满，该第二内框架405构成一个质量元件并具有正方形的基本形状。第二内框架405的最靠近第六框架件421的外棱边通过第一x弹簧406与第六框架件421连接。第二内框架405的最靠近第三框架件418的外棱边借助第二x弹簧406与第三框架件418连接。x弹簧406构造成曲折形或s形的梁式弹簧并且在x方向上是能弹性变形的，而在y和z方向上是刚性的。x弹簧406允许第二内框架405相对外框架413偏移。
第一内框架404具有一个面状构造的、正方形的中央区域，该区域在z方向上设置在牢固地与基底连接的第一z电极411的上方。第一内框架404的面状构成的该区域和第一z电极411共同构成一个电容器，该电容器的电容与第一内框架404到第一z电极411的距离有关。第一内框架404的、包围第一内框架404的中央面的区域通过两个在x方向上并排的格栅区段构成。第一内框架404的这些格栅区段具有在x方向上定向的格栅杆，这些格栅杆形成y电极指415，这些y电极指位于多个牢固地与基底连接的y基底电极410的z方上方。在x方向上定向的y电极指415分别从框架404的棱边达到第一内框架404的中央的、面状构造的区域，或者说达到框架404的、分隔这两个格栅区段的一个梁上。因此，邻接在第一内框架404的中央的面状构造的区域上的y电极指415比邻接在框架404的分隔这两个格栅区段的所述梁上的y电极指415短。y电极指415和y基底电极410形成电容器，这些电容器的电容与y电极指415到y基底电极410的距离有关。
第二内框架405具有中央的、面状构成的正方形区段，该区段在z方向上设置在牢固地与基底连接的z电极412的上方。第二内框架405的面状区段和第二z电极构成一个电容器，该电容器的电容与第二内框架405的面状区段到第二电极412的距离有关。第二内框架405的该面状区段被第二内框架405的两个格栅区段包围，这两个格栅区段沿y方向并排且具有多个在y方向上定向的格栅杆，这些格栅杆构成多个x电极指414。在y方向上定向的x电极指414分别从框架405的棱边达到第二内框架405的中央的、面状构造的区域或者达到框架405的分隔这两个格栅区段的一个梁上。因此，邻接在第二内框架405的面状构造的中央区域上的x电极指414比邻接在框架405的分隔这两个格栅区段的所述梁上的x电极指414短。x电极指414在z方向上设置在多个牢固地与基底连接的x基底电极409的上方并与它们构成多个电容器，这些电容器的电容与x电极指414到x基底电极409的距离有关。
外框架413、y弹簧407、第一内框架404、x弹簧406和第二内框架405共同构成一个摆动质量402或者说一个质量元件。摆动质量402关于由z弹簧408构成的轴线是非对称的。摆动质量402的包括第一框架件416的部分相对于摆动质量402的其他部分具有附加质量403。
在x方向上作用在加速度传感器400上的加速度引起在x方向上作用在第二内框架405上的力，并在x弹簧406弹性变形的情况下使第二内框架405相对外框架413偏移。x电极指414和x基底电极409之间的距离由此改变，这致使由它们构成的电容器的电容变化。作用在加速度传感器400上的加速度越大，该偏移以及电容变化就越大。所述电容变化可借助于电子分析装置检测。y弹簧407和z弹簧408在x方向上是刚性的，因而在x方向上作用的加速度不会导致外框架413或第一内框架404偏移。
在y方向上施加到加速度传感器400上的加速度引起在y方向上作用在第一内框架404上的力，并在y弹簧407弹性变形的情况下使该第一内框架404相对外框架413偏移。y电极指415和y基底电极410之间的距离由此改变，这导致由y电极指415和y基底电极410构成的电容器的电容变化能借助电子分析装置检测。作用在加速度传感器上的加速度越大，该偏移以及电容变化就越大。x弹簧406和z弹簧408在y方向上是刚性的，因而第二内框架405或外框架413不发生偏移。
在z方向上作用在加速度传感器400上的加速度导致在z方向上作用在摆动质量402上的力，并且由于附加质量403而产生一个转矩，该转矩引起摆动质量402绕由z弹簧408构成的旋转轴线倾斜。作用在加速度传感器400上的力越大，倾斜角就越大。由于摆动质量402的倾斜，在第一内框架404和第一z电极411或者在第二内框架405和第二z弹簧412之间的距离改变，这导致由第一内框架404和第一z电极411构成的电容器或者由第二内框架405和第二z电极412构成的电容器的电容变化能借助于电子分析装置检测。因为这些电容变化具有相反的符号，所以差动分析计算是可行的，通过差动分析计算能抑制零点偏差。由于x弹簧406和y弹簧407在z方向上是刚性的，第一内框架404或第二内框架405不会相对于外框架413偏移。
在图2中示出的加速度传感器400相对于在图1中示出的加速度传感器300具有如下优点：第一内框架404和第二内框架405的面状构造的中央区段与第一z电极411和第二z电极412彼此对称地构造，这带来了在线性和偏置稳定性方面的优点。另一方面，在加速度传感器300中，第一内框架304和第二内框架305的面得到更好的利用，这增大了用于检测z加速度的电容器的基本电容，并因而提高了其灵敏度。
在图1和2中示出的加速度传感器300、400的x基底电极309和409以及y基底电极310和410也可以选择性地如此构造成，使得由加速度引起的第一内框架304、404和第二内框架305、405的偏移导致电容变化，这些电容变化能被差动地分析计算。其技术细节对于技术人员来说已由现有技术公开。

Claims (9)

1.一种加速度传感器(300，400)，具有基底(322，422)和第一质量元件(302，402)，该第一质量元件如此地与基底(322，422)连接，使得第一质量元件(302，402)能绕一轴线旋转，其中，第一质量元件(302，402)如此地与第二质量元件(304，404)连接，使得第二质量元件(304，404)能沿着平行于所述轴线的第一方向运动，第一质量元件(302，402)如此地与第三质量元件(305，405)连接，使得第三质量元件(305，405)能沿着垂直于所述轴线的第二方向运动，其中，第一质量元件(302，402)具有包括三个在第二方向上并排的面积区段的框架(313，413)并且仅仅通过所述轴线在中间的第一面积区段中与基底(322,422)相连接，所述轴线由两个扭转弹簧(308，408)构成，第二质量元件(304，404)位于第二面积区段中并且通过至少一个能在第一方向上延展的弯曲弹簧(307，407)与所述框架(313，413)连接，第三质量元件(305，405)位于第三面积区段中并且通过至少一个能在第二方向上延展的弯曲弹簧(306，406)与所述框架(313，413)连接。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器(300，400)，其中，第一质量元件(302，402)关于所述轴线非对称地构造。
3.根据权利要求1或2所述的加速度传感器(300，400)，其中，所述基底(322，422)是硅基底。
4.根据权利要求1或2所述的加速度传感器(300，400)，其中，至少一个牢固地与基底(322，422)连接的检测电极(311、312，411、412)与所述第一质量元件(302，402)对置，所述检测电极允许检测第一质量元件(302，402)绕所述轴线的旋转。
5.根据权利要求4所述的加速度传感器(300，400)，其中，设置有至少两个检测电极(311、312，411、412)，其中所述检测电极(311、312，411、412)允许差动地分析计算第一质量元件(302，402)绕所述轴线的旋转。
6.根据权利要求5所述的加速度传感器(300，400)，其中，在所述轴线的两侧各设置有一个检测电极(311、312，411、412)，其中，这两个检测电极(311、312，411、412)关于所述轴线彼此对称地构造。
7.根据权利要求1或2所述的加速度传感器(300，400)，其中，第二质量元件(304、404)具有第一指形电极(315，415)，牢固地与基底连接的第一基底电极(310，410)与第一指形电极(315，415)对置，第一指形电极(315，415)和第一基底电极(310，410)允许检测第二质量元件(304，404)在第一方向上的偏移。
8.根据权利要求1或2所述的加速度传感器(300、400)，其中，第三质量元件(305，405)具有第二指形电极(314，414)，牢固地与基底连接的第二基底电极(309，409)与第二指形电极(314，414)对置，第二指形电极(314，414)和第二基底电极(309，409)允许检测第三质量元件(305，405)在第二方向上的偏移。
9.根据权利要求7所述的加速度传感器(300、400)，其中，第三质量元件(305，405)具有第二指形电极(314，414)，牢固地与基底连接的第二基底电极(309，409)与第二指形电极(314，414)对置，第二指形电极(314，414)和第二基底电极(309，409)允许检测第三质量元件(305，405)在第二方向上的偏移。
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