具有彈力平衡的加速度傳感器的製作方法

2023-05-10 04:04:51

本發明涉及一種具有彈力平衡的加速度傳感器。

背景技術：

在不同應用中使用加速度傳感器來測量加速度。在此質量元件常常藉助彈簧元件支承在基板上，在出現加速度時測量質量元件的偏移。為了提高對於加速度的靈敏度，希望儘可能減小彈簧的彈簧剛度，同時又不改變其它特性、如針對橫向加速度的耐衝擊性或靈敏度。但減小卻受到所使用製造技術的限制並且通常已到達極限。

技術實現要素：

本發明所基於的任務在於提供一種具有低有效彈簧剛度或彈簧硬度的加速度傳感器。

所述任務通過獨立權利要求的技術方案來解決。擴展方案通過從屬權利要求定義。

加速度傳感器包括：傳感器質量塊，其藉助彈簧元件沿運動軸線可動地支承在基板上；第一微調電極，其與傳感器質量塊連接；和第二微調電極，其與基板連接並且配置給第一微調電極。在此在傳感器質量塊沿運動軸線偏移時通過彈簧元件產生作用於傳感器質量塊的彈力並且在傳感器質量塊偏移時通過在第一微調電極和第二微調電極之間施加微調電壓產生作用於傳感器質量塊的靜電力，該靜電力反作用於彈力。

通過第一和第二微調電極之間的微調電壓，在傳感器質量塊偏移時不僅產生作用於傳感器質量塊的彈力而且也產生反作用於彈力的靜電力。由於反作用的靜電力總是在彈力產生時產生，因此這兩個力平衡，從而系統的有效彈簧常數——其由彈簧元件的彈簧常數和微調電極對的彈簧常數組成——可通過調節微調電壓自由地調節。

在沒有微調電壓時，通過彈簧元件產生的彈力逆著偏移方向向回推動傳感器質量塊。通過微調電壓可減小並且例如完全消除該回復力。這相應於這樣的系統，在其中傳感器質量塊通過無彈簧剛度的彈簧元件與基板連接。

將微調電壓提高超越完全平衡導致具有負彈簧常數的系統、即這樣的系統，其在傳感器質量塊偏移時不再返回靜止位置中，而是繼續沿偏移方向偏移。因此可通過在微調電極對之間施加微調電壓任意調節基板－彈簧元件－傳感器質量塊－系統的彈簧剛度。

加速度傳感器可包括與傳感器質量塊連接的傳感器電極和與基板連接並且配置給傳感器電極的檢測電極。在此傳感器質量塊沿運動軸線的偏移可通過傳感器電極和相配的檢測電極之間的檢測電壓或作用於其的電荷的變化來確定。由此可控制具有可自由調節的彈簧硬度的加速度傳感器並且讀取由加速度傳感器測得的加速度。

傳感器電極的一部分可構造為第一微調電極並且構造為第一微調電極的傳感器電極和第二微調電極之間的微調電壓可以阻尼傳感器質量塊的偏移。由此為加速度傳感器的一部分電極分配多個任務，由此加速度傳感器可構造得更加緊湊。通過將一部分傳感器電極用作第一微調電極，可避免在傳感器質量塊上設置附加的第一微調電極。

第一微調電極可對稱於垂直於運動軸線的對稱軸線設置在傳感器質量塊上並且第二微調電極可對稱於垂直於運動軸線的對稱軸線設置在基板上。通過這種完全對稱設計的微調電極布置，只要傳感器質量塊未偏移，就不會產生作用於傳感器質量塊的合力。由此確保第一和第二微調電極的存在不會偏倚加速度傳感器的讀取，而是僅用於自由調節加速度傳感器的彈簧硬度。此外，通過這種布置可降低製造公差的影響。

由第一微調電極和第二微調電極產生的靜電力可等於由彈簧元件產生的彈力。由此確保即使在傳感器質量塊偏移時沒有使傳感器質量塊回復到初始位置中的力有效作用於傳感器質量塊。因此傳感器質量塊可藉助可能存在的激勵電極和檢測電極自由定位。這可減少或完全避免因製造公差引起的測量偏倚(bias)。

第一微調電極的一部分可構造為梳狀電極並且第二微調電極可構造為電極板。構造為梳狀電極的微調電極的支承梳狀電極電極指的部分於是與第二微調電極構成平行極板電容器，其用於產生靜電力。通過這種設計使第一微調電極除了產生反作用於彈力的靜電力外，也可用於其它目的、如加速度檢測。由此加速度傳感器可構造得更為緊湊。

第一微調電極的一部分可構造為電極板並且構造為電極板的第一微調電極和相配的第二微調電極構成平行極板電容器。這允許簡單地製造第一微調電極和第二微調電極，從而可簡單且低成本地製造彈簧硬度可自由調節的加速度傳感器。

可通過調節檢測電壓使傳感器質量塊保持在中性位置中，在該位置中測得的加速度與微調電壓無關。實際作用的加速度在此不重要。由此確保獨立於存在的微調電壓測量傳感器質量塊的某一加速度。該加速度可通過檢測電極和傳感器電極確定並且與中性位置一同構成參數對，其表徵所使用的加速度傳感器。例如可由包括中性位置和相配加速度的參數對確定微調電極的位置或形狀是否穩定或加速度傳感器是否損壞。由此可提高加速度傳感器的可靠性。

計算單元可由中性位置確定傳感器質量塊的第一位置與傳感器質量塊的第二位置的偏差，在第一位置中沒有彈力作用於傳感器質量塊並且在第二位置中沒有由傳感器電極和檢測電極產生的力作用於傳感器質量塊。由此可通過確定中性位置來確定因製造公差引起機械零點(即傳感器質量塊在無彈力時的位置)和電氣零點(即傳感器質量塊在傳感器電極和檢測電極不產生合力時的位置)的偏差是否引起藉助加速度傳感器的加速度測量偏倚。由此提高加速度傳感器的可靠性。

計算單元可基於中性位置的變化和用於消除彈力所需的微調電壓的變化檢驗加速度傳感器的錯誤。由此提高加速度傳感器的可靠性。

加速度傳感器可以是微機電系統(mems)。由此上述優點也可用於用於加速度測量的微機電系統中。

附圖說明

本發明的上述和其它優點和特徵在下面參考附圖藉助實施例詳細說明。附圖如下：

圖1a和1b為根據一種實施方式的加速度傳感器示意圖；

圖2為根據另一種實施方式的加速度傳感器示意圖；

圖3為根據另一種實施方式的加速度傳感器示意圖；

圖4為根據另一種實施方式的加速度傳感器示意圖；

圖5為在根據一種實施方式的加速度傳感器中產生測量偏倚的示意圖；

圖6為加速度傳感器的彈簧硬度在不同微調電壓作為參數時的關係示意圖。

具體實施方式

圖1a和1b以示意圖示出根據一種實施方式的加速度傳感器100。

該加速度傳感器100包括基板110。傳感器質量塊120通過彈簧元件130沿運動軸線x可動地支承在基板110上。彈簧元件130在彈簧元件130的第一側上與基板110固定連接並且在彈簧元件130的第二側上與傳感器質量塊120固定連接。彈簧元件130允許傳感器質量塊120沿運動軸線x偏移。例如彈簧元件130可構造為彎梁彈簧(biege-balkenfedern)，其垂直於運動軸線x延伸並且因此僅允許沿運動軸線x的運動，而不允許垂直於運動軸線x的運動。但彈簧元件130也可具有任何其它形狀，其允許傳感器質量塊120沿運動軸線x偏移。

第一微調電極140與傳感器質量塊120連接。在此第一微調電極140與傳感器質量塊120固定連接，例如傳感器質量塊120和第一微調電極140可構造成一體的，即第一微調電極140是傳感器質量塊120的一體組成部分。

第二微調電極150與基板110連接並且配置給第一微調電極140。在此第二微調電極150與基板110固定連接。例如第二微調電極150可以是基板110的一體組成部分。

這樣設計第一微調電極140和第二微調電極150的配對，使得在傳感器質量塊120的靜止位置中沒有由第一微調電極140和第二微調電極150產生的力作用於傳感器質量塊120，因為如下面進一步描述的在微調電極140、150之間產生的分力平衡。

第一微調電極140和第二微調電極150在此無需對稱設置在傳感器質量塊120或基板110上。例如所有第一微調電極140可位於傳感器質量塊120的一側上或在傳感器質量塊120的一端上。

如圖1b所示，在傳感器質量塊120沿運動軸線x偏移時彈簧元件130產生彈力135，該彈力使傳感器質量塊120向初始位置回復，在該位置中由彈簧元件130產生的力平衡或在該位置中所述力抵消(機械零點)。同時通過在第一微調電極140和第二微調電極150之間施加微調電壓產生作用於傳感器質量塊120的靜電力145，該靜電力反作用於彈力135，如下面所描述的。

例如通過在第一微調電極140和第二微調電極150之間施加微調電壓第一微調電極140可具有第一電荷、如負電荷、並且第二微調電極150可具有與第一電荷相反的第二電荷、如正電荷。這導致在第一微調電極140和第二微調電極150之間產生靜電合力，其在第一微調電極140接近第二微調電極150時增大。

因此在傳感器質量塊120偏移時可產生這樣的力，該力使傳感器質量塊120通過與傳感器質量塊120固定連接的第一微調電極140進一步朝向與基板110固定連接的第二微調電極150移動。該靜電力145反作用於通過彈簧元件130產生的彈力135。因此作用於傳感器質量塊120的合力有效減小，這相當於加速度傳感器100彈簧常數的減小。

如圖1a和1b所示，可這樣構造第一微調電極140和第二微調電極150，使得靜電力145由不同分力組成。在圖1b中在第一微調電極140和第二微調電極150的更靠近被壓縮彈簧元件130的側面(在圖1b中為第二微調電極的左側)之間產生分力，該分力大於在第一微調電極140和第二微調電極150的右側之間產生的分力。這種情況是因為第一微調電極140和第二微調電極150左側之間的距離小於第一微調電極140和第二微調電極150右側之間的距離。

根據另一種實施方式，在其中第一和第二微調電極不同地構造、例如構造為平行極板電容器的電極對，第二微調電極比第一微調電極更靠近彈簧元件130，以便在彈簧元件被壓縮時基於第一和第二微調電極之間變小的距離產生反作用於彈力135的靜電力。由於傳感器質量塊120可沿運動軸線x在兩個方向上運動(在圖1a和1b中向左和向右)，因此需要至少兩對第一和第二微調電極。靜電合力145產生於各個微調電極對之間的力。

因此可通過在第一微調電極140和第二微調電極150之間施加的微調電壓自由調節加速度傳感器100的彈簧硬度或者說彈簧剛度。由此例如使彈力135和靜電力145完全平衡，以致在傳感器質量塊120偏移時不再存在回復力。但靜電力145也可過度平衡、即超越彈力135，使得僅在傳感器質量塊120進行小的偏移時靜電力145即可增強地使傳感器質量塊120進行大的偏移。由於這可導致傳感器質量塊120的即時過度控制，因此這種方式的加速度傳感器100隻能藉助附加的復位電子裝置在閉環控制迴路中運行。

圖2示出具有示意性示出的、用於讀取加速度的傳感器電極160的加速度傳感器100，所述傳感器電極與傳感器質量塊120連接並且配置給示意性示出的檢測電極170，所述檢測電極與基板110連接。傳感器電極160和檢測電極170之間的電壓可與傳感器質量塊120沿運動軸線x的偏移有關並且因此可確定傳感器質量塊120的偏移。由該偏移又可確定作用於傳感器質量塊120的加速度。

在結束測量後傳感器電極160和檢測電極170可用於使傳感器質量塊120再次復位。

但也可這樣調節傳感器電極160和檢測電極170之間的電壓，使得傳感器電極160和檢測電極170之間的合力精確平衡作用於傳感器質量塊120的加速力並且因此用於使傳感器質量塊120復位。由此傳感器質量塊120始終保持在同一位置中。用於保持位置所需的、傳感器電極160和檢測電極170之間的電壓於是用於確定加速度。

如圖2所示，讀取通過傳感器質量塊120的實際位置變化產生的傳感器電極160和檢測電極170之間的電壓變化大多在運行中藉助開環控制迴路進行，而將傳感器質量塊120調節到固定位置上則藉助閉環控制迴路實現。

根據一種實施方式設有至少一個包括傳感器電極160和檢測電極170的電極對——在其中在沿運動軸線x偏移時電極間隙減小——和至少一個電極對——在其中在相同偏移時電極間隙增大。根據另一種實施方式，一部分傳感器電極160和檢測電極170用於加速度測量並且另一部分用於使傳感器質量塊120復位。

傳感器電極160和檢測電極170在此無需對稱設置在傳感器質量塊120或基板110上。例如所有傳感器電極160可設置在傳感器質量塊120的一側上或傳感器質量塊120的一端上。

當加速度傳感器100藉助閉環控制迴路運行時，有利的是，可自由確定傳感器質量塊120在測量期間應佔據的位置。但基於通過彈簧元件130產生的彈力通常情況並非如此，因為彈簧元件130－傳感器質量塊120系統具有特定機械零點，在機械零點中所有彈力135平衡或抵消。但由於藉助在第一微調電極140和第二微調電極150之間施加的微調電壓產生靜電力145，該靜電力反作用於彈力135或甚至完全平衡彈力，因此可在藉助閉環控制迴路的運行中在很大程度上與機械零點位置無關地或甚至完全自由地確定傳感器質量塊120的位置。這使得加速度傳感器100以最簡單的方式運行。

此外，基於彈力135通過靜電力145的平衡，由溫度變化引起的加速度傳感器100各部件之間的相對運動對加速度傳感器100測量結果的影響大大減弱。溫度變化可引起加速度傳感器100各部件的膨脹或收縮。這通常使系統的機械零點偏移並且在未平衡彈力135的情況下導致加速度傳感器100測量結果的附加偏倚。由於基於溫度變化的膨脹或收縮有滯後效應，因此在沒有微調電壓平衡時在相同溫度下也可能出現不同的測量結果。通過以靜電力145幾乎完全平衡彈力135可克服該問題，因為由此系統更少地或甚至完全不再受到機械零點因溫度變化偏移的影響。因此加速度傳感器100更加可靠。

圖3示出一種作為微機電系統(mems)的加速度傳感器200的實施方式，其包括基板210、傳感器質量塊220、彈簧元件230、第一微調電極240、第二微調電極250、傳感器電極260和檢測電極270。

加速度傳感器200傳感器電極260的一部分在此構造為第一微調電極240。在圖3中這是更靠近彈簧元件230的傳感器電極260。但根據另外的實施方式其它傳感器電極260也可構造為第一微調電極240。此外，第二微調電極250這樣設置在傳感器電極260和檢測電極270之間，使得第一微調電極240和第二微調電極250之間的微調電壓不僅用於平衡由彈簧元件230產生的彈力，而且也阻尼傳感器質量塊220的振動。第二微調電極250因此同時用作減振電極。

第一微調電極240的一部分在此構造為梳狀電極，其電極指與檢測電極270的相應電極指齒狀交錯。第一微調電極240的遠離檢測電極270電極指的一側在此與構造為電極板的第二微調電極250構成平行極板電容器。第一微調電極240因此以其電極指用作傳感器電極260並且以其背側用作與第二微調電極250電極板對應的配合電極板。因此可為加速度傳感器200的一些電極分配多個任務。即，第一微調電極240不僅用於檢測出現在加速度傳感器200上的加速度，而且也用於調節加速度傳感器200的彈簧剛度。第二微調電極250不僅用於阻尼通過加速度傳感器200的加速度引起的傳感器質量塊220的振動，而且也用於調節加速度傳感器的彈簧剛度。由此加速度傳感器200運行所需的部件數量可降到最低並且加速度傳感器200可緊湊且低成本地構造。

根據另一種在圖4中示出的msms加速度傳感器300可將加速度的讀取與彈簧硬度的調節分開。加速度傳感器300為此包括基板310、傳感器質量塊320、彈簧元件330、第一微調電極340、第二微調電極350、傳感器電極360和檢測電極370。

在此第一微調電極340對稱於垂直於運動軸線x的對稱軸線設置在傳感器質量塊上並且第二微調電極對稱於相同的垂直於運動軸線x的對稱軸線設置在基板上。如圖4所示，傳感器電極360和檢測電極370與第一微調電極340和第二微調電極350分開設置。

通過第一微調電極340和第二微調電極350的對稱設計可確保微調電極340、350的電極間隙完全對稱地設計，由此只要傳感器質量塊未偏移，就不產生作用於傳感器質量塊320的合力。此外，通過將第一微調電極340、350集中設置在傳感器質量塊320的特定位置上、如傳感器質量塊320中間，還可降低製造公差的影響。

此外，如圖3通過第二微調電極250實現的減振電極可單獨集成到圖4的加速度傳感器300中。這可在藉助相應可調的讀取電壓、減振電壓和微調電壓來進行加速度傳感器300的控制、減振、讀取和微調時實現較大的靈活性。

圖4中所示的微調電極340、350構造為電極板並且構成平行極板電容器。這允許簡單且低成本地製造加速度傳感器300。根據另外的實施方式，構造為平行極板電容器的第一和第二微調電極340、350也可設置在傳感器質量塊320的其它位置上、如傳感器質量塊320的邊緣上、傳感器質量塊320的僅一側上或傳感器質量塊320的任意位置上。

圖5示出處於這種情況下的加速度傳感器100，在其中傳感器質量塊120的機械靜止位置——例如基於製造公差——與傳感器質量塊120的電氣靜止位置(例如在傳感器質量塊120無傳感器電極160和檢測電極170的合力時的位置)相互不同。除了機械靜止位置和電氣靜止位置外，還存在微調靜止位置，在其中在第一微調電極140和第二微調電極150之間沒有力作用或者說作用力平衡。下面簡單假設機械靜止位置相應於微調靜止位置。

如圖5示意性通過彈簧元件130的相同長度和第一微調電極140處於第二微調電極150之間的中間位置表明傳感器質量塊120處於機械靜止位置(或者說微調靜止位置)中，在其中彈簧元件130和第一和第二微調電極140、150沒有施加沿運動軸線x作用於傳感器質量塊120的力。

但基於製造公差常常出現這種情況，即，機械靜止位置與電氣靜止位置互不相同，所述電氣靜止位置通過傳感器電極160和檢測電極170的位置確定。這在圖5中示意性通過傳感器電極160和檢測電極170之間不同的距離來表示。傳感器電極160和檢測電極170在圖5中顯示為簡單的電極板。但根據另外的實施方式它們也可具有如圖2和3所示的梳狀電極的形式，或可以是梳狀電極和電極板的混合形式。

雖然傳感器質量塊120機械靜止，但讀取電子裝置從傳感器電極160與檢測電極170的相對位置推導出，已經存在沿運動軸線x的加速度。這通常導致測量結果偏倚，如應實現精確測量，則必須校正該偏倚。

如上所示，在加速度傳感器100藉助閉環控制迴路運行時，傳感器質量塊120保持在特定位置中。通過藉助在第一和第二微調電極140、150之間施加的微調電壓來減小整個加速度系統的彈簧硬度，可自由選擇該位置並且例如這樣進行調節，使得包括傳感器電極160和檢測電極170的測量系統可確定傳感器質量塊120未移動，即加速度傳感器100例如可在電氣零點上運行。

但根據另一種實施方式也可使具有傳感器質量塊120的加速度傳感器100在微調靜止位置中運行。這在機械靜止位置——例如基於製造公差——與微調靜止位置不一致時也是可能的。藉助閉合控制迴路如上所述通過傳感器電極160和檢測電極170產生回復力，該回復力將傳感器質量塊保持在微調靜止位置中。然後電子計算與電氣靜止位置的偏差，以便獲得正確的測量結果。

另一方面，可通過在傳感器電極160和檢測電極170之間作用的電壓這樣改變傳感器質量塊120的位置，使得其保持在中性位置中，在該位置中用於進一步偏移所需的加速度與微調電壓無關。該位置通常與機械零點重合。中性位置和相應的加速度一同構成特徵參數對，藉助它們可檢驗加速度傳感器100的功能性。尤其是可藉助計算單元確定機械零點和電氣零點的偏差並且由此確定和補償測量結果偏倚。

這例如可藉助圖6中所示的曲線圖實現。圖6示出傳感器質量塊120偏移所需的力f與位置x關於用於小偏移的微調電壓的關係。當沒有微調電壓時，則產生相應於實線的關係。通過提高微調電壓，該線圍繞中性點n沿箭頭a方向旋轉，這通過虛線示出。在特定微調電壓下所產生的靜電力145完全平衡彈力135，由此用於偏移所需的f完全與位置x無關(圖6中的水平虛線h)。

中性點n——其x坐標相應於中性位置——現在可用於確定偏倚。由於待消耗的力f和位置x藉助包括傳感器電極160和檢測電極170的讀取系統確定，因此機械零點和電氣零點之間的偏移正好相應於n的x值。因此通過檢測中性點n可確定或者說監控偏倚。

此外，可藉助中性點n檢驗加速度傳感器100的錯誤。為此在加速度傳感器投入運行時，首先確定中性點n。當中性點n的位置水平變化時，這意味著電極結構變化，即微調電極140、150的位置或形狀不穩定或傳感器電極和檢測電極的電氣靜止位置發生變化。相反，當中性點n位置沿垂直方向變化時，則電極結構(微調電極140、150、傳感器電極160、檢測電極170)穩定。因此原因在於基於機械力作用的變化，該變化導致加速度傳感器100所用材料的晶體結構中的位錯。

因此在根據本發明的加速度傳感器中可自由調節加速度傳感器的彈簧硬度或彈簧剛度。基於該可自由調節性能夠確定對於加速度傳感器運行重要的參數、如中性點n位置並且提高加速度傳感器的可靠性。