用于传感器元件的微机械弹簧的制作方法

本发明涉及一种用于传感器元件的微机械弹簧。本发明还涉及一种用于制造用于传感器元件的微机械弹簧的方法。

背景技术：

现今，在z-或xz-加速度传感器中的扭转弹簧(作为可转动的摆杆)要么设计有简单的梁，其中，长度和宽度作为设计自由度使用，要么当除了一般要求(关于检测灵敏度等的要求)之外还要附加地满足振动要求时设计为梯形弹簧(两个与横梁连接的纵梁)。

对于简单的梁的情况，通过一个长度和一个宽度调整所需要的使用模式(检测模式)，这导致，其他模式的位置是预给定的。因此，在不移动使用模式的情况下使干扰模式移动实际上是不可能的，反之亦然。

当前对于该问题的解决方案在于，使用非常短和薄的微机械弹簧，这导致大的制造波动(强烈取决于边缘损失，即，实际制造的尺寸相对于计划的尺寸由于制造公差而产生的偏差)。

us2008/0141774a1公开了一种加速度传感器，该加速度传感器在一个方向上敏感，其中，测量几乎不由于垂直于该方向起作用的干扰加速度而失真。为了该目的，加速度传感器的弹簧具有两个弯曲梁，所述弯曲梁与横梁连接。

de102006051329a1公开了一种根据摆杆原理的z-加速度传感器，该z-加速度传感器通过结构决定的误差偏转而具有降低的干扰灵敏度。为了该目的，提出一种多个平行走向的扭转弹簧的多层布置，由此使得所述布置的弯曲刚度相对于单个弹簧的弯曲刚度显著提高。

us2014/0331770a1公开了一种机械连接装置，该机械连接装置形成用于mems(微机电系统)和nems(纳米机电系统)机械结构的转动支点。

us2013/0192362a1公开了一种容许振动的加速度传感器结构。

技术实现要素：

本发明的任务是，提供一种用于传感器元件的改进的微机械弹簧。

所述任务通过用于传感器元件的微机械弹簧解决，所述微机械弹簧具有：

-沿传感轴线构造的至少两个弹簧区段；

-其中，所述至少两个弹簧区段分别具有限定的长度；并且

-其中，所述至少两个弹簧区段具有限定地不同的宽度。

有利地，以该方式提供用于微机械弹簧的附加的自由度，其方式是，也可以影响关于干扰模式的灵敏度。

根据第二方面，本发明通过用于制造用于传感器元件的微机械弹簧的方法解决，所述方法具有以下步骤：

-构造至少两个弹簧区段，其中，所述至少两个弹簧区段这样构造，使得具有第一长度的第一弹簧区段相对于具有第二长度的第二弹簧区段限定地不同宽度地构造。

此外提出根据本发明的微机械弹簧的优选实施方式。

微机械弹簧的有利扩展方案的特征在于，所述至少两个弹簧区段这样构造，使得微机械弹簧的检测模式与微机械弹簧的干扰模式在一频率范围中隔开限定的间距。由此能够有利地提供相对于干扰模式所希望的不灵敏性，这对于特定的传感器是有利的。以该方式实现模式优化的弹簧设计，该弹簧设计引起传感器元件的有利的运行特性。

微机械弹簧的另一有利扩展方案的特征在于，通过第一弹簧区段可以影响微机械弹簧的检测模式并且通过第二弹簧区段可以影响干扰模式。由此可以通过不同的弹簧区段分别影响特定的模式，这能够实现微机械弹簧的高度的设计多样性。

微机械弹簧的另一有利扩展方案的特征在于，借助于模拟方法求取弹簧的尺寸大小。以该方式可以使用被证明为适合用于设计微机械弹簧的开发工具，例如呈有限元模拟形式的开发工具。

微机械弹簧的另一有利扩展方案的特征在于，弹簧区段之间的过渡区域限定地倒圆地构造。以该方式促进使微机械弹簧的断裂危险有利地最小化。

微机械弹簧的另一有利扩展方案的特征在于，微机械弹簧与传感器元件的摆杆元件整体式地构造。以该方式可以为了微机械弹簧的制造而使用被证明为合适的微机械学制造工艺。

附图说明

下面参照多个附图以其他特征和优点详细描述本发明。附图主要用于原理性地阐释本发明并且不一定按比例实施。

公开的方法特征类似地由相应公开的产品特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于用于制造用于传感器元件的微机械弹簧的方法的特征、技术优点和实施方式以类似的方式由关于用于传感器元件的微机械弹簧的实施方式、特征和优点得出，反之亦然。

附图示出：

图1根据现有技术的微机械弹簧；

图2所提出的用于传感器元件的微机械弹簧的第一实施方式；

图3所提出的用于传感器元件的微机械弹簧的另一实施方式的俯视图；和

图4具有两个相叠布置的微机械弹簧的弹簧系统的横截面视图；

图5以俯视图示出图4的布置；

图6用于制造用于传感器元件的微机械弹簧的方法的原理流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于，提供一种用于传感器元件的微机械弹簧，该微机械弹簧包含关于呈干扰模式形式的特定运行特性方面的扩展设计自由度。以该方式可以有利地影响微机械弹簧的检测模式和干扰模式，由此可以根据技术条件特定地设计具有该微机械弹簧的传感器元件的运行行为。

检测模式(使用模式)和干扰模式在下面理解为在一个频率范围中的频率或者说频率域：所述频率或频率域限定了用于微机械弹簧100的希望的激励(检测模式)或者不希望的激励(干扰模式)的频率。在此，两个所提到的模式为第一和第二模式，其中，实际上存在无限多个模式，这些模式随着模式数的增加需要相应更高的机械激励能量。结果是，通过检测模式或干扰模式限定刚度或者说传感器在限定加速力(例如1g)的情况下受到的偏转程度。

图1以俯视图示出传感器元件的传统的微机械弹簧100，其中，弹簧100构造为扭转弹簧，该扭转弹簧可围绕扭转轴线a扭转。可看出构型有平行的侧面区域的弹簧100具有长度l1和宽度b1，由此确定微机械弹簧的检测模式(使用模式)。然而缺点是通过长度l1和宽度b1也确定了微机械弹簧100的不能改变的干扰模式。

在图1中未示出用于z-传感器元件的在微机械弹簧100两侧构造的摆杆结构，该摆杆结构通常不对称地构造，以便以该方式引起摆杆结构从一个平面偏转出来并且感测加速力。

该传统的弹簧100可以基于弹簧也在xy平面内部扭转的事实而按照干扰模式运行，这对于传感器元件的运行行为或传感行为造成不利的影响(例如通过产生误差信号)。

如果所提到的干扰模式以如下频率发生，在该频率中由分析处理电路(未示出)产生电压脉冲并且由此产生力脉冲(尤其在传感器的工作频率的整数倍的情况下)，则可以通过分析处理电路激发这些干扰模式。由此可能不利地产生传感器误差信号。

图2示出所提出的微机械弹簧100的第一实施方式的示意性俯视图。可看出，微机械弹簧100具有两个弹簧区段10、20，其中，第一弹簧区段10具有长度l1和宽度b1，并且第二弹簧区段20具有长度l2和宽度b2。

以该方式可以有利地通过第一弹簧区段10影响检测模式并且通过第二弹簧区段20影响干扰模式。因此，以有利的方式也提供关于干扰模式的自由度，使得这样构造的微机械弹簧100可以尽可能好地适配于预给定的技术条件(spezifikation)。以该方式可以有利地实现所提出的微机械弹簧100的限定的扭转刚度。

优选地，第一弹簧区段10和第二弹簧区段20之间的过渡区域11分别具有带有曲面或带有弯曲限界的凹部的区段，该曲面具有限定的半径。由此可以减小例如缺口机械应力并且由此有利地强烈降低所提出的微机械弹簧100的断裂危险。

微机械弹簧100的全部几何尺寸的确定优选借助于已知的模拟方法实现，例如借助于有限元模拟方法。

示例性提出的微机械弹簧100具有大约100μm的总长度(l1+l2)、大约2μm的平均宽度和大约20μm的厚度。但是显然的是，对于微机械弹簧100可以考虑任意其他几何尺寸。

在此优选地，在频率范围中这样设计干扰模式，使得所述干扰模式在频率范围中与检测模式隔开限定间距地布置。以该方式对于传感器元件可以实现检测模式和干扰模式的限定的解耦。

图3示出微机械弹簧100的另一实施方式的俯视图。可以很好地看出，沿着传感轴线或扭转轴线a的两个不同宽度的弹簧区段10、20，其中，微机械弹簧100与摆杆30整体式地构造。

以该方式有利地可能的是，弹簧100与摆杆30一起通过常见的传统微机械方法、例如气相蚀刻与摆杆一件式或者说整体式构造地制造。由此促进整个摆杆30连同弹簧100的有效率的制造。

在图3中也可很好地看出第一弹簧区段10和第二弹簧区段20之间的倒圆的过渡区域11。

有利地，所述弹簧可以用于汽车领域(例如用于esp控制器的传感器)或者移动终端设备，其中，为了所提到的目的分别设置不同的传感灵敏度，所述不同的传感灵敏度最终要求不同构造的微机械弹簧。

在图中未示出所提出的微机械弹簧100的具有多于两个弹簧区段的其他有利实施方式。例如可考虑的是，微机械弹簧100具有三个或者更多个分别具有不同宽度的弹簧区段，其中，必要时也可以设置具有相同宽度的弹簧区段。

在微机械弹簧100的有利扩展方案中，该微机械弹簧与第二弹簧110组合成微机械弹簧系统300。这在原理上在图4中表明，该图示出这种具有两个相叠布置的微机械弹簧100、110的弹簧系统300的横截面视图。这两个微机械弹簧100、110在传感器元件中借助于至少两个连接元件120优选在边缘区域上相互连接，即，机械耦合。以该方式可以为具有弹簧系统300的传感器元件提供改进的对称性，因为在微机械弹簧系统300的层系统中实现了基本上在中心的重心。以该方式可以更好地补偿作用到传感器元件上的横向效应。

图5以俯视图示出图4的布置。可看出的是，位于上方的微机械弹簧100根据上面阐述的原理阶梯式地构造。位于下方的微机械弹簧110直地构造，但是也可以考虑，位于上方的微机械弹簧直地构造并且布置在下方的微机械弹簧阶梯式地构造。

微机械弹簧系统的在图中未示出的其他变型方案包括三个和更多个相叠布置的微机械弹簧，所述微机械弹簧合适地相互耦合。

图6示出用于制造用于传感器元件的微机械弹簧的方法的示意性流程。

在步骤200中，实施至少两个弹簧区段10、20的构造，其中，所述至少两个弹簧区段10、20这样构造，使得具有第一长度l1的第一弹簧区段100相对于具有第二长度l2的第二弹簧区段20限定地不同宽度地构造。

总结而言，通过本发明提出用于具有平面外探测功能(outofplanedetektion)的微机械惯性传感器元件的微机械弹簧的有利设计，在该微机械弹簧中既为检测模式也为干扰模式设置了构型可能性。

虽然已经参照优选实施方式描述本发明，但本发明绝不局限于所述实施方式。

因此，本领域技术人员相应地修改并且相互组合所述特征，而不会偏离本发明的核心。