用于微机械z传感器的摆杆装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于微机械Z传感器的摆杆装置。本发明还涉及一种用于制造微 机械Z传感器的摆杆装置的方法。
【背景技术】
[0002] 用于测量物理加速度的传统传感器通常具有由硅制成的微机械结构（传感器核） 和分析处理电子器件。能够实现在垂直于传感器核的主平面的方向上测量加速度的传感器 核称作Z传感器。这种传感器用于机动车领域一一例如ESP系统中或移动电话领域中。
[0003] 例如，在博 士论文《Oberfl沒chenmikromechanik_-Sensoralselektrische TeststrukturenzurCharakterisierungihrerHerstellungsprozesse》 （Maute， Matthias;图宾根大学；2003年）的第六章中进一步描述了所述的传感器原理。
[0004]EP0 244 581A1公开了一种用于自动触发乘员保护装置的微机械传感器。
[0005]EP0 773 443B1公开了一种微机械加速度传感器。
[0006] 在例如在DE10 2007 060 878A1 和DE10 2009 000 167A1 中公开的所谓的 "FP功能化"的范畴内，对于微机械加速度传感器构造摆杆（Wippe)，所述摆杆不仅由单个紧 凑层结构化而且在两个不同的硅层中结构化。因此，可以构成可运动的"皿状"结构。
[0007] 在操作加速度传感器时，在突然过负荷的情况下（例如当具有加速度传感器的控 制设备掉到地面上时），质量（Masse)和（因此）弹簧可能在垂直方向上（即向平面外）偏 移。在此，FP功能层的质量可能损坏上方的电极或者也可能破坏FP功能层自身。
[0008] 为了防止以上所述情况，提出例如在DE10 116 931A1中描述的机械止挡。在其 中公开的止挡在约7ym至约10ym之后才阻止摆杆。然而，因为在所述的具有FP功能化 的技术中摆杆位于两个电极之间并且所述两个电极小于约2ym地彼此远离，所以所述传 统的过负荷保护不再足够。因此，开发了附加结构，其能够使摆杆在止挡之前停止。在DE 10 2009 029 095A1和US8 124 895B2中公开了这种机械止挡。
【发明内容】
[0009] 本发明的任务是，提供一种具有增大的止挡加速度的微机械Z传感器。
[0010] 根据第一方面，所述任务借助用于微机械Z传感器的摆杆装置解决，所述摆杆装 置：
[0011] 具有两个可围绕扭转轴线支承的、皿状构造的摆杆臂，其中摆杆装置相对于扭转 轴线非对称地构造；
[0012] 对于每个摆杆臂具有一个止挡区域，所述止挡区域具有至少一个第一止挡元件， 其中在每一个摆杆臂上所述止挡区域相对于摆杆装置的传感区域限定地增高地构造。
[0013] 借助摆杆臂的增高的区域，可以提供更多的运动自由度并且因此提供用于具有根 据本发明的摆杆装置的Z传感器的增大的止挡加速度。通过这种方式，可以有利地提高微 机械Z传感器的功能。
[0014] 根据第二方面，所述任务借助用于制造微机械Z传感器的摆杆装置的方法解决， 所述方法具有以下步骤：
[0015] 提供两个非对称地皿状构造的摆杆臂；
[0016] 如此构造每个摆杆臂的各一个区域，使得所述区域具有至少一个第一
[0017] 止挡元件并且相对于摆杆装置的传感区域限定地增高地构造。
[0018] 从属权利要求的主题是根据本发明的摆杆装置的和根据本发明的方法的优选实 施方式。
[0019] 摆杆装置的一种有利扩展方案的特征在于，摆杆装置在止挡区域中的增高的程度 基本上相应于第一止挡元件的高度。通过这种方式，可以在考虑摆杆装置的机械给定条件 的情况下优化摆杆臂的运动间隙，使得由此最大程度地增大止挡加速度。
[0020] 摆杆装置的一种有利扩展方案的特征在于，在摆杆装置的下侧上对于每个摆杆臂 在第一止挡元件和扭转轴线之间附加地设置有至少一个第二止挡元件。通过这种方式，整 个摆杆装置的或者整个微机械Z传感器的耐摔强度可以有利地增大。由此，尤其保护摆杆 臂的增高的区域和摆杆装置的传感区域之间的敏感过渡区域免受损坏或者断裂。
[0021] 摆杆装置的有利扩展方案设置，将摆杆装置的穿孔构造为具有倒圆的角的开口或 构造为具有倒圆的角的缝隙状开口。由此，可以实现摆杆装置的摆杆臂的增大的机械稳健 性，因为机械应力均匀地分布到材料上。其结果是，提供更大的物理质量，其能够接收更多 的机械能量。此外，通过这种方式可以有利地提供增大的电容，其可以改善Z传感器的传感 特性。
[0022] 摆杆装置的另一种优选实施方式的特征在于，摆杆装置还具有至少一个减负荷元 件，所述至少一个减负荷元件以穿透摆杆装置的全部层的缝隙的形式构造。有利地，通过这 种方式方法可以更软地并且更柔性地构型摆杆装置的整个结构，其方式是，缝隙使摆杆装 置的各个区域相互之间在机械上脱耦合。通过这种方式，可以增大摆杆装置的机械弹性，由 此有利地进一步提高整个摆杆装置的耐摔强度。
[0023] 摆杆装置的有利扩展方案的特征在于，在摆杆装置的止挡装置的区域中和/或从 摆杆装置的边缘区域开设到摆杆装置中地构造缝隙。由此，对于缝隙尽可能地充分利用设 计可能性，其中缝隙的形状和定位与摆杆装置的应用特性匹配。其结果是，由此可以有利地 影响摆杆结构的弹性特性。
[0024] 以下借助其他特征和优点根据多个附图进一步描述本发明。在此，所描述的所有 特征对于自身或者以任意组合地构成本发明的主题，与其在说明书或附图中的描述以及与 其在权利要求书中的组合或引用无关。相同的或功能相同的元素具有相同的参考标记。定 性地并且不按比例地制作附图。因此，不能从附图得出比例和量级。
【附图说明】
[0025] 图1以原理性横截面视图示出用于微机械Z加速度传感器的传统摆杆装置；
[0026] 图2示出用于微机械Z加速度传感器的根据本发明的摆杆装置的第一实施方式；
[0027] 图3示出传统摆杆装置与根据本发明的摆杆装置的一种实施方式的原理性比较；
[0028] 图4以横截面视图示出根据本发明的摆杆装置的另一种实施方式；
[0029] 图5示出图4的根据本发明的摆杆装置的实施方式的电极区域或者传感器区域的 原理图；
[0030] 图6a、6b示出根据本发明的摆杆装置的一种实施方式的两个细节图；
[0031] 图7示出根据本发明的摆杆装置的一种实施方式的透视细节视图；
[0032] 图8示出根据本发明的摆杆装置的另一种实施方式的细节图；
[0033] 图9示出具有根据本发明的摆杆装置的微机械Z传感器的框图；
[0034] 图10示出根据本发明的方法的一种实施方式的原理性流程图。
【具体实施方式】
[0035] 图1极其示意性地以横截面视图示出用于微机械Z传感器（未示出）的传统的摆 杆装置100。看到两个摆杆臂20、21，它们按质量非对称地构造并且可围绕扭转轴线10扭转 地支承，所述扭转轴线优选构造为弹簧装置。摆杆装置100的结构借助优选具有限定的刚 性的弹簧装置可转动地或者可扭转地支承在硅衬底上或者悬挂在所述硅衬底上。在每一个 摆杆臂20、21下方设置有凸块状的、由摆杆臂20、21的材料组成的止挡元件30,借助所述止 挡元件摆杆臂20、21可以在所设置的垂直加速度时止挡到电极40上。止挡元件30止挡到 电极40上时的加速度值称作止挡加速度并且表示微机械Z传感器的重要运行参数。在所述 的止挡加速度时实现止挡元件30与电极40的受控制的"进行止挡（In-Anschlag-gehen) "。 所述的止挡加速度越大，则Z传感器的运行特性可能越好。
[0036] 由于蚀刻工艺，摆杆装置100的在z方向上构造的穿孔（未示出）取决于制造地 存在并且基本上完全覆盖所述摆杆区域。
[0037] 可以看到，由于相对于弹簧装置10的不均匀的质量分布，摆杆臂20、21非对称地 构造。在摆杆臂20、21基本上等长时（几何对称），非对称可以通过摆杆臂20、21的非对称 的质量分布一一例如通过臂20、21的不同穿孔或通过两个摆杆臂20、21的不同厚度构造。 但附加地或替代地，非对称也可以通过两个摆杆臂20、21的几何形状的非对称（例如，不同 的臂长）实现。
[0038] 在图1中示出了所述的通过两个摆杆臂20、21的不同质量实现的非对称（质量大 的摆杆臂21，质量小的摆杆臂20)。由于垂直于摆杆装置100的主平面作用的加速度（垂 直加速度），摆杆装置100的结构由于两个摆杆臂20、21的非对称可围绕扭转轴线10扭转。 摆杆装置100通过电子电路（未示出）保持在限定的电势上，设置在摆杆装置100下方的 用于测量目的的固定电极40保持在限定的另一电势上。可看到摆杆装置100的"皿状"结 构，其中在所述皿状结构上方设置有固定电极50。
[0039] 借助电子分析处理装置（未示出）通过电极40、50上的电荷变化的检测和分析处 理来探测摆杆装置100的倾斜变化。通过这种方式，可以求取作用到微机械Z传感器上的 垂直加速度（"在Z方向上"）。
[0040] 为了实现摆杆臂20、21的皿状结构，通常由三个功能层（未示出）一一即由位于上 方的第一功能层（所谓的EP层）、由设置在EP层和第三功能层（所谓的FP层）之间的第 二功能层（所谓的OK层）和位于下方的FP层实现摆杆装置100的整个结构。在此，在需 要时也可以取消OK层。
[0041] 在衬底中设有多个机械止挡70(所谓的"镫（Steigbilgel) "），使得在过负荷时摆 杆结构在限