CN111071982A - 微机械惯性传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械惯性传感器(100)，具有：‑衬底(1)；‑振动质量(10)；‑限定数量的探测电极(20、21)以用于通过所述振动质量(10)与所述探测电极(20、21)在功能上的共同作用来探测所述振动质量(10)的偏移；和‑限定数量的补偿电极(30、31)以用于生成电信号来补偿由于所述衬底(1)的寄生变形所引起的电偏置信号。

Description

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
用于测量加速度和转速的微机械惯性传感器针对汽车和消费领域中的不同应用批量制造。对于具有垂直于晶片平面(即沿z方向)的探测方向的电容式加速度传感器优选使用跷板结构。该跷板的传感器原理基于弹簧质量***，在该弹簧质量***中在最简单的情况下可运动的振动质量以固定在衬底上的两个对应电极形成两个板式电容器。振动质量通过至少一个、由于对称原因通常两个扭转弹簧与底板连接。
如果质量结构在扭转弹簧的两侧上不一样大，那么在z加速度产生作用时质量结构相对于作为旋转轴的扭转弹簧旋转。由此电极的距离在具有较大质量的一侧上较小并且在另一侧上较大。由此引起的电容变化是用于起作用的加速度的量度。这种加速度传感器例如由EP 0 244 581A1和EP 0773 443A1已知。
发明内容
本发明的任务是，提供改进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，所述微机械惯性传感器具有：
-衬底；
-振动质量；
-限定数量的探测电极以用于通过振动质量与探测电极的功能上的共同作用来探测振动质量的偏移；和
-限定数量的补偿电极以用于生成电信号来补偿由于衬底的寄生变形所引起的电偏置信号。
以该方式，提供针对寄生变形改进的微机械惯性传感器。这通过以下方式实现，借助于补偿电极产生用于补偿衬底的寄生变形的电补偿信号。结果是，由此可以实现微机械惯性传感器的寄生变形的“电补偿”。
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解决，所述方法具有以下步骤：
-提供衬底；
-提供振动质量；
-提供限定数量的探测电极以用于通过振动质量与探测电极的功能上的共同作用来探测振动质量的偏移；和
-提供限定数量的补偿电极以用于生成电信号来补偿由于衬底的寄生变形所引起的电偏置信号。
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扩展方案的特征在于，补偿电极布置在探测电极的限定的区域、优选角部区域中。由此促进，补偿电极的补偿效应在具有衬底的最大寄生变形的区域中实现。
微机械惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，借助于补偿电极可以实施振动质量和探测电极之间的电容值的起均衡作用的改变。由此，通过补偿电极引起由振动质量的运动所造成的电容变化的均衡。
微机械惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，借助于补偿电极可以生成相对于探测电极的电信号反相的电信号。结果是，由此实现由于惯性传感器的寄生变形所产生的寄生偏置信号的电补偿。
微机械惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，补偿电极和探测电极构造在惯性传感器的同一微机械功能层中。有利地，由此用于探测电极和用于补偿电极的制造过程能够在相同的工作步骤中，由此对于提供补偿电极而言仅需要少的附加耗费。
微机械惯性传感器的另一有利扩展方案的特征在于，衬底和补偿电极的寄生变形可以借助于仿真方法来求取。由此可以实现补偿电极关于实际寄生变形的准确适配，其中，所使用的仿真方法越好并且越精确，那么设计的精度越高。
微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，惯性传感器是平面外惯性传感器或平面内惯性传感器。由此可以将根据本发明的概念有利地应用到不同类型的微机械惯性传感器上。
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的附图标记。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，没有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式、特征和优点得出，反之亦然。
在附图中示出：
图1传统的微机械z-惯性传感器的俯视图；
图2图1的传统的微机械z-惯性传感器的立体视图；
图3强烈简化的传统的微机械z-惯性传感器的两个横截面视图；
图4在壳体中的传统的微机械z-惯性传感器；
图5传统的微机械z-惯性传感器的寄生翘曲的原理示图；
图6、7传统的微机械惯性传感器的寄生翘曲的仿真技术示图；
图8、9具有补偿电极的图6和7的微机械惯性传感器的仿真技术示图；
图10传统的微机械平面内惯性传感器的俯视图；
图11具有补偿电极的根据本发明的微机械平面内惯性传感器的实施方式的俯视图；
图12、13包括补偿电极在内的微机械惯性传感器的衬底的翘曲的仿真技术示图；
图14传统的微机械平面内惯性传感器的俯视图；
图15具有补偿电极的根据本发明的微机械平面内惯性传感器的实施方式的俯视图；
图16-18微机械平面内惯性传感器的衬底的可以被补偿的变形的原理性示图；
图19、20微机械惯性传感器的未补偿的和经补偿的输出信号的原理性示图；和
图21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。
具体实施方式
本发明的核心思想尤其是实现具有改善的偏移稳定性和传感特性的微机械惯性传感器。
图1、2分别示出已知的微机械z-惯性传感器的芯50。
在第一微机械功能层中构造的探测电极20、21和非对称构造的、呈跷板形式的振动质量10，该振动质量围绕扭转轴11可扭转地构造。根据跷板原理的这种惯性传感器设计简单并且是普遍的。偏移稳定性的主要限制会通过寄生效应产生，所述寄生效应通过衬底的翘曲引起。
图3的两个视图示出微机械加速度传感器的工作原理。由于加速度，振动质量10发生偏转，这引起振动质量10和衬底1中的探测电极20、21之间的电容C1、C2的变化。这暗示着，由于振动质量10的偏转，在振动质量10和探测电极C1之间的电容C1增大并且在振动质量10和探测电极21之间的电容C2减小。基于振动质量10的偏转，感测这些电容变化ΔC并且换算成加速度值。
然而在实践中出现大量的寄生外部效应，所述寄生外部效应会影响所测量的电容C1、C2。微机械惯性传感器100的芯50通常布置在壳体的不同层之间，如在图4中原理性示出的那样，在那里示出惯性传感器的示例性的BGA/LGA壳体。所提到的层的材料可以具有不同的热膨胀系数。结果是，芯50在壳体60中例如可以由于外力、温度变化(不同的热膨胀)、湿气吸收(“吸湿性膨胀”)或以寄生和不希望的方式变形。
在所述情况下，这些寄生变形即使在没有要测量的机械加速度的情况下也改变振动质量10和探测电极20、21之间的电容C1、C2，这在图5中以原理性方式并且强烈简化地示出。这产生寄生电输出信号，所述寄生电输出信号不是微机械惯性传感器的可靠信号。该误差被称为“信号偏置”，原则上所有微机械加速度传感器产生该信号偏置。
本发明的核心思想尤其是使该信号偏置最小化。
图6示出微机械惯性传感器100的芯50的仿真技术视图。可看出衬底1，该衬底由于前面提到的效应以寄生的方式变形成衬底1’的鞍式形状。结果是，由此产生电极20在衬底1上的按规定的布置和已变形的衬底1’之间的距离d1以及电极21在衬底1上的按规定的布置和已变形的衬底1’之间的距离d2。
图7的仿真技术视图示出衬底1的另外类型的变形，其中，在这种情况下衬底1改变成变形的形状1’。虽然该寄生效应由此相对于图6的衬底1的变形不那么明显，但仍然存在。在附图中未示出、但显然也可能的是图6和图7的变形类型的组合。
图8示出根据本发明的微机械惯性传感器的实施方式的仿真技术示图。可看出，在探测电极20、21的区域中布置有补偿电极30、31，所述补偿电极补偿由于衬底1的寄生翘曲所产生的电信号或使之最小化。这优选通过以下方式实现：补偿电极30、31布置在探测电极20、21的角部区域中，在那里寄生效应由于衬底1的变形是最强的。但也可以考虑，补偿电极30、31替代地或附加地布置在探测电极20、21的其他区域中(未在附图中示出)。
优选地，探测电极20、21和补偿电极30、31布置在惯性传感器的同一功能层中，但是也可以替代地布置在不同的功能层中。补偿电极30与探测电极21电连接，并且补偿电极31与探测电极20电连接。
以该方式，提供振动质量10和电极20、21、30、31之间的电容的平衡准备或由补偿电极30、31产生相对于探测电极20、21的信号反相的信号。结果是，由此可以在很大程度上防止微机械惯性传感器的寄生电偏置信号。
图9示出根据本发明的微机械惯性传感器的实施方式的仿真技术示图，所述实施方式相应于图7的传统布置。在该情况下也可看出，补偿电极30布置在探测电极20的角部区域中并且补偿电极31布置在探测电极21的角部区域中。以该方式，可以在很大程度上补偿由于衬底1的变形所导致的寄生效应或至少使其最小化。
所提出的补偿原理不仅可以有利地应用到微机械平面外惯性传感器上，如之前阐释的那样，而且也可以应用到微机械平面内惯性传感器上，其中，振动质量10在平面中运动。
图10示出这种惯性传感器的俯视图。可看出振动质量10和具有梳状结构的探测电极20、21，该振动质量可以沿x方向偏移，所述梳状结构与振动质量10的梳状结构在功能上共同作用并且由此感测和分析处理振动质量10的偏移。
图11示出具有补偿电极30、31的图10的微机械惯性传感器的俯视图。可看出，补偿电极30、31布置在惯性传感器的角部区域和中央区域的局部中，所述补偿电极补偿振动质量10的寄生偏移的电效应。在此，电补偿电极31与探测电极20电连接，并且补偿电极30与探测电极21电连接。
图12和13再次在仿真技术上示出具有补偿电极30、31的所提出的原理。可看出，在图12的布置中设置有补偿电极30、31，所述补偿电极补偿衬底1的鞍形翘曲，并且在图13的布置中设置有补偿电极30、31，所述补偿电极补偿衬底1的波浪状变形。可以容易地看出，补偿电极30、31分别设置在探测电极20、21的角部区域中，以便优化补偿作用的效率。
图14的俯视图示出传统的微机械惯性传感器，其在图15的布置中具有补偿电极30、31。补偿电极30、31的几何构型优选由仿真技术方法、例如借助于有限元仿真支持，通过该有限元仿真尽可能好地求取并且测定微机械惯性传感器的补偿电极30、31以及寄生变形。
图16至18以原理性方式示出振动质量10的寄生偏移的类型，所述寄生偏移可以借助于补偿电极30、31来补偿。可看出，在图16中可以补偿沿x方向的寄生移动，在图17中可以补偿沿y方向的寄生畸变，并且在图18中可以补偿衬底的寄生的、不均匀的弯曲。
图19和20示出未补偿的和根据本发明补偿的微机械惯性传感器的输出信号S。
在此，图19示出微机械平面外惯性传感器的情况，图20示出在平面内惯性传感器中在沿x方向、y方向、xy1方向和xy2方向的不同变形的情况，其中，xy1方向和xy2方向包含沿x方向和沿y方向的特定变形分量。
在所有情况下可看出，在使用补偿电极30、31的情况下惯性传感器的输出信号S1K…S4K的振幅明显小于传统的、未补偿的微机械惯性传感器的输出信号S1…S4的振幅。
图21以原理性的方式示出用于制造所提出的惯性传感器100的方法的流程。
在步骤200中提供衬底1。
在步骤210中提供振动质量10。
在步骤220中提供限定数量的探测电极20、21，通过振动质量10与探测电极20、21的功能上的共同作用来探测振动质量10的偏移。
在步骤230中提供限定数量的补偿电极30、31以生成电信号来补偿由于衬底1的寄生变形而产生的电偏置信号。
虽然前面参照具体实施例描述本发明，但本领域技术人员也可以不实现或仅部分地实现公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。

Claims (8)

1.微机械惯性传感器(100)，具有：
-衬底(1)；
-振动质量(10)；
-限定数量的探测电极(20、21)以用于通过所述振动质量(10)与所述探测电极(20、21)在功能上的共同作用来探测所述振动质量(10)的偏移；和
-限定数量的补偿电极(30、31)以用于生成电信号来补偿由于所述衬底(1)的寄生变形所引起的电偏置信号。
2.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述补偿电极(30、31)布置在所述探测电极(20、21)的限定区域、优选角部区域中。
3.根据权利要求1或2所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，借助于所述补偿电极(30、31)能够实施所述振动质量和所述探测电极(20、21)之间的电容值的起均衡作用的改变。
4.根据权利要求3所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，借助于所述补偿电极(30、31)能够生成相对于所述探测电极(20、21)的电信号反相的电信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述补偿电极(30、31)和所述探测电极(20、21)构造在所述惯性传感器的同一个微机械功能层中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述衬底(1)的寄生变形和所述补偿电极(30、31)能够借助于仿真方法求取。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述惯性传感器是平面外惯性传感器或平面内惯性传感器。
8.用于制造微机械惯性传感器(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供衬底(1)；
-提供振动质量(10)；
-提供限定数量的探测电极(20、21)以用于通过所述振动质量(10)与所述探测电极(20、21)在功能上的共同作用来探测所述振动质量(10)的偏移；和
-提供限定数量的补偿电极(30、31)以用于生成电信号来补偿由于所述衬底(1)的寄生变形所引起的电偏置信号。
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