专利名称：用于测量加速度、压力和类似参数的微机械的传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对加速度、压力和类似参数进行测量的微机械的传感器装置。
背景技术：
需要比如加速度传感器的形式的微机械的传感器装置用于多种多样的应用情况， 尤其在机动车中用于电子的稳定程序用的加速度的测量或者也用于判断，安装在机动车中的气囊是否应该由于车祸而触发。加速度传感器的另一个应用领域是消费者领域，这里比如是移动电话的领域，对于所述移动电话来说所述加速度传感器用于按移动电话的定位来旋转显示屏内容，用于就这样可以在不依赖于移动电话的位置的情况下以直立可读的形式向使用者显示显示屏的相应的内容。从DE 44 26 163 Al中已经公开了一种加速度传感器，该加速度传感器由弹簧-质量系统构成并且其弯曲梁以预先给定的谐振频率振动。所述弯曲梁在此如此夹紧在固定座之间，使得其在缺少外部的力的作用时形成拱形。所述隆起部分形成机械的不稳定性，这种机械的不稳定性会在出现力的作用时发生变形。从DE 10 2008 002 606 Al中已经公开了具有敞开的试验块的微机械的加速度传感器，该微机械的加速度传感器包括基片、悬架、试验块以及固定的电容式电极。所述试验块在此借助于所述悬架悬挂在所述基片上面并且具有质量重心。所述悬架在所述基片上具有至少两个固定点，其中所述两个固定点布置在所述质量重心的对置的侧面上，其中所述两个固定点之间的间距小于所述试验块的水平伸长，其中所述两个固定点确定了中轴线， 其中所述试验块具有空隙，所述空隙布置在所述中轴线的对置的侧面上并且在背向所述中轴线的侧面上朝侧面敞开，其中所述固定的电极至少啮合到所述试验块的空隙中。加速度在此借助于电容的变化来测量。但是，基于电容变化的加速度传感器在其尺寸方面比较大并且因此比较昂贵。
发明内容
在权利要求1中所定义的用于对加速度、压力和类似参数进行测量的微机械的传感器装置，包括基片、以活动的方式优选有弹性地布置在所述基片上的试验块、用于借助于压电效应将作用于所述试验块上的力转换为优选电气的信号的转换装置、用于向所述试验块加载额外的力的力加载器件尤其电极、用于控制所述力加载器件的控制器件，其中所述控制器件如此控制所述力加载器件，从而暂时地尤其周期性地向所述试验块加载所述额外的力。在权利要求11中所定义的用于对加速度、压力或者类似参数进行测量的方法，尤其适合于用按权利要求1-10中至少一项所述的装置来实施，该方法包括以下步骤外力由于外部的加速度作用于以活动的方式尤其有弹性的布置在基片上的试验块，借助于压电效应将作用于所述试验块的力转换为优选电气的信号，暂时地尤其周期性地向所述试验块加载额外的力，对所述优选电气的信号进行分析并且根据所分析的信号来提供加速度信号。在权利 要求1中所定义的微机械的传感器装置以及在权利要求11中所定义的用于对加速度、压力或者类似参数进行测量的方法具有这样的优点，即可以降低所述微机械的传感器装置的尺寸，而尤其在使用压阻的效应的情况下在将所述力转换为信号时1/f噪声没有升高，并且尽管如此尤其在使用压电的效应的情况下也可以额外地测量在时间上恒定的加速度。如果外部的力比如通过机动车的制动的形式的负加速度作用于所述试验块，那就通过比如电极的形式的力加载器件将额外的力施加到所述试验块上，使得所述试验块由于静电的力的关于电极与力加载器件之间的间距的非线性而间接地在所述转换装置的悬架中导致不同的应力。这种应力依赖于外部的作用于所述试验块上的力，该力处于具有所述微机械的传感器装置的第一频率的基带中。所述转换装置现在根据压电效应将应力转换为电气的信号比如电压。具有处于所述微机械的传感器装置的基带或者有效带宽之上的第二频率的静电的力的调制导致所述转换装置的悬架中的应力的相应的调制并且后来也导致所述电气的信号的相应的调制。包含在所述电气的信号中的关于作用于所述试验块的力或者说加速度的信息现在处于具有相当于第二频率的中心频率并且具有所述第一频率的双倍宽度的所谓的载波频带中。借助于随后的相位正确的调制，将经过调制的电气信号比如借助于卷积(Faltimg)又反向转换为基带。不过，通过所述卷积也产生所述信号的处于所述载波频带之上的部分。这些部分可以借助于低通滤波器来移走。由此而后提供用于作用于所述试验块的加速度的信号，该信号具有上面所提到的优点。所述微机械的传感器装置或者说相应的方法的另一个优点是，由此也可以将力以不同的方向传输到所述试验块上，从而由此提高所述装置或者说方法的灵活性。按照本发明的另一种有利的改进方案，所述力加载器件靠近所述试验块来布置， 尤其基本上垂直于和/或平行于所述试验块的偏移的方向来布置。在这种情况下优点是， 如果所述试验块垂直于和/或平行于所述偏移的方向偏移，则一方面可以尽可能直接地在没有较大损失的情况下将力从力加载器件传递到所述试验块上。另一方面在垂直于所述偏移的方向来布置所述力加载器件的情况下可以在所述试验块比如以垂直于所述偏移的方向布置的悬架有弹性地布置在所述基片上时对所述微机械的传感器装置的机械敏感性进行调整。因此比如可以改变所述试验块的在基片上的悬架的弹性常数或者使其与预先给定的外部的条件相匹配，这显著提高了所述微机械的传感器装置的灵活性。如果所述力加载器件关于偏移基本靠近地平行于所述试验块的偏移也就是沿所述偏移的方向来布置，那就可以以这种方式直接向所述试验块加载力，这进一步改进了在时间上恒定的加速度的识别水平。按照本发明的另一种有利的改进方案，所述用于借助于压电效应来转换力的转换装置包括用于进行压阻的和/或压电的探测的器件。在这种情况下优点是，由此按所述微机械的传感器装置的使用领域可以相应地对其进行调整，这提高了其灵活性，另一方面也可以一起使用或者说运用所述两种压电效应也就是压电的效应及压阻的效应，这进一步提高了所述微机械的传感器装置的敏感性并且同时在转换时显著降低了可能的1/f噪声。按照本发明的另一种有利的改进方案，所述转换装置包括至少一个尤其横梁的形式的悬架，该悬架以活动的方式将所述试验块固定在所述基片上。在这种情况下优点是，可以以简单的方式借助于所述横梁的相应的结构来调整由于外部的力或者说加速度引起的所述试验块的运动，另一方面由此可以容易地并且以低廉的成本将所述试验块固定在所述基片上，而不必布置额外的用于所述转换装置的构件。按照本发明的 另一种有利的改进方案，所述用于进行压阻的和/或压电的探测的器件布置在所述至少一个悬架上。在这种情况下优点是，由此可以以直接的方式借助于压电效应来测量作用于所述试验块的加速度。同时在总体上降低用于所述转换装置以及也用于所述传感器装置的空间位置需求。按照本发明的另一种有利的改进方案，所述用于进行压阻的和/或压电的探测的器件包括纳米线(Nanodraht)，所述纳米线尤其垂直于所述悬架来布置。在这种情况下优点是，所述纳米线在所述试验块运动时发生变形，尤其伸展或者缩径并且就这样比如可以在利用压阻的效应的情况下通过所述纳米线上的合适安置的电阻来测量从外面作用于所述试验块的力并且由此可以测量加速度。此外，同样可以取代安置在所述纳米线上的电阻而在所述纳米线中设置均勻的和/或结构化的掺杂结构，所述掺杂结构作为电阻起作用或者说构造为电阻。此外，如果横梁相应地构造得较窄且较薄，则可以将横梁的形式的悬架构造为纳米线。所述掺杂结构而后相应地尤其构造为压阻的和/或压电的结构。当然也可以布置多个具有一个或者多个纳米线的悬架，用于改进对作用于所述试验块的力或者说加速度进行测量的精度。按照本发明的另一种有利的改进方案，所述用于进行压阻的和/或压电的探测的器件具有构造为电阻的形式的均勻的和/或结构化的区域。在这种情况下优点是，由此进一步提高所述微机械的传感器装置的灵活性，因为所述区域可以分别相应地与所述微机械的传感器装置的不同要求相匹配或者说相应地构成。同时所述区域能够容易地并且以低廉的成本来制造。按照本发明的另一种有利的改进方案，所述转换装置构造用于有差别地对力进行探测。在这种情况下优点是，由此可以降低所谓的共模干扰比如温度效应等等，因为比如可以测量由于力而缩径的第一悬架与由于同样的力而伸展的第二悬架之间的差别。按照本发明的另一种有利的改进方案，布置了用于提高敏感性的尤其构造为杠杆臂的形式的器件。在这种情况下优点是，由此以简单的和成本低廉的方式尤其通过在试验块与转换装置之间布置杠杆臂的方式在总体上提高所述微机械的传感器装置的敏感性。所述杠杆臂能够在出现从外面作用于所述试验块的力时使所述试验块更加剧烈地偏移。通过这种方式，进一步提高所述微机械的传感器装置或者说用于测量加速度的方法的敏感性并且由此能够进一步缩小必要的用于所述微机械的传感器装置的结构空间。按照本发明的方法的另一种有利的改进方案，该方法包括尤其在时间上分散地或者连续地分析所述电气的信号这个步骤。在这种情况下优点是，在时间上分散地分析时降低了用于所述分析的计算开销，相反在对所述电气的信号进行连续的分析时则实现所述方法的较高的能效。按照所述方法的另一种有利的改进方案，借助于矩形的或者正弦状的信号或者伪噪声信号来暂时地向所述试验块加载额外的力。在这种情况下优点是，比如在向所述试验块加载伪噪声信号时可以显著降低干扰信号的可能的输入机率。在借助于矩形的信号向所述试验块加载负荷时，可以用相应的器件以简化的并且成本低廉的方式产生信号。
所述微机械的传感器装置在此具有处于50与200微米之间优选低于100微米的尺寸。在将所述微机械的传感器装置用在机动车中时有效带宽低于IOkHz优选低于5kHz尤其低于IkHz并且优选尤其低于50Hz。调制频率大于所述有效带宽的1. 5倍尤其2倍并且 /或者比所述微机械的传感器装置的机械的角频率或者极限频率至少小了所述有效带宽。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中进行详细解释。其中 图Ia是按本发明的第一种实施方式的微机械的传感器装置；
图Ib是按本发明的第二种实施方 式的微机械的传感器装置； 图Ic是按本发明的第三种实施方式的微机械的传感器装置； 图2是用于暂时地向所述试验块加载额外的力的正弦状信号的所使用的频率范围；并
且
图3是按本发明的第一种实施方式的方法。在附图中，相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件。
具体实施例方式图Ia示出了按本发明的第一种实施方式的微机械的传感器装置V。在图1中附图标记1表示试验块，该试验块具有重心2。该试验块1在此借助于三根具有相应的触点5a、5b、5c的横梁6a、6b、6c有弹性地得到悬挂，所述触点5a、5b、5c又布置在基片S上。这些触点5a、5b、5c固定地布置在所述基片S上。所述试验块1可以基本上垂直于所述横梁6a、6b、6c的纵向伸长进行振动，也就是说，作用于所述试验块1的加速度借助于相应的沿方向R的运动得到平衡。平行地也就是说沿相对于相应的偏移方向R 的方向，在所述试验块1的对置的侧面上布置了电极3a、3b，所述电极3a、3b可以借助于信号向所述试验块1加载根据所述信号调制的电子的力。这导致所述试验块1朝相应的电极 3a、3b的方向进行额外的非线性的偏移。这种额外的在布置在试验块1与相应的电极3a、 3b之间的区域4a、4b中的偏移尤其依赖于通过外部的加速度从外面作用于所述试验块的力并且根据这个力非线性地变化。所述电极3a、3b通过导线L1与控制器件7进行了导电连接。此外，所述触点5a、 5b,5c 一方面与解调器9相连接并且另一方面与所述控制器件7相连接。在中间的横梁6c 上布置了构造为结构化掺杂的区域的形式的电阻Ws。这些电阻Ws与所述触点5c进行了导电连接。此外，在所述外面的横梁6a、6b上布置了构造为均勻掺杂的区域Wh的形式的电阻。 在此用于与所述触点5a、5b相连接的电阻Wh的电气回线比如通过另一个横梁尤其不经受任何机械应力的横梁6c被导回或者同样可以借助于在电流方面分开的回线能够在相应的横梁6a、6b、6c上实现电气回线。如果电阻Wh布置在所述外面的横梁6a、6b上，那么中间的横梁也可以在没有电阻Ws的情况下构成。然后在所述中间的横梁6c上-如上面所解释的一样-布置了所述电气回线。通过所述解调器9的引到外面的接头8来提供经过相应处理的信号，该信号包括作用于所述试验块1的加速度。图Ib示出了按本发明的第二种实施方式的微机械的传感器装置。
在图Ib中示出了试验块1，该试验块1通过悬架6a、6b、6c与触点5b、5c以及固定点5a相连接，所述触点5b、5c以及固定点5a又布置在基片S上。所述悬架6a、6b在此构造为有弹性的结构。悬架6c包括压电的元件E，该压电的元件E与触点5c进行了导电连接7并且进一步通过导线L2与所述解调器9进行了导电连接。此外，所述触点5b通过导线L1与电极3a相连接，用该电极3a能够将力施加到所述试验块1上，使得所述试验块1 相应于所加载的电场的方向朝所述电极3a运动或者离开该电极3a。如此产生的作用于所述试验块1的力借助于控制器件7来控制。借助于控制器件7在所述电极3a上周期性地接通并且断开电压，由此对所述微机械的装置V的机械敏感性进行调制。如果比如所述试验块1通过借助于电极3a来作用于其上面的力在图Ib中向左偏移，那么该试验块1就在断开电压之后又自动地返回到其原始位置中。如果所述试验块1已经通过从外面作用于该试验块1的力尤其通过通过加速度向右偏移，那么该试验块1就根据通过电极3a引起的力获得额外的偏移。所述试验块1的偏移在此不仅可以包括额外的正偏移，也就是说该试验块1获得朝所述电极3a的方向的额外的偏移，并且/或者获得负偏移，也就是说所述试验块1以较小的程度偏移，因为所述力也就是外部的力与通过电极3a引起的作用于所述试验块的力至少部分地抵消。
此外，所述控制器件7比如可以提供处于OV与3V之间的矩形电压。图Ic示出了按本发明的第三种实施方式的微机械的传感器装置的一部分。在图Ic中示出了具有试验块1的微机械的传感器装置V的一部分，所述试验块1 通过杠杆臂H借助于固定点5a有弹性地并且以活动的方式布置在基片S上。所述杠杆臂H 在此不包括任何压电器件，也就是比如压电电阻器或者压电的器件。基本上在所述杠杆臂H 的当中，在垂直于其伸长的情况下在固定点5与试验块1之间相应地布置了悬架6a、6b，所述悬架6a、6b设有压电的和/或压阻的器件Ws。为了还进一步提高所述微机械的传感器装置V的敏感性，可以将所述悬架6a、6b布置在所述试验块1的旋转点的区域中，也就是布置在所述杠杆臂H的固定点5的区域中。所述悬架6a、6b进一步与触点5a、6b相连接。所述触点5a、5b的布置及其与解调器9之间的共同作用、控制器件7以及电极3a、3b在图Ic中未示出，但是基本上相当于按图Ia和Ib的实施方式的结构。所述横梁6a、6b在此也可以构造为纳米线N，也就是说相应地构造得较窄或者说较薄，这进一步提高了所述微机械的传感器装置V的敏感性并且同时进一步降低必要的用于所述微机械的传感器装置V的结构空间。当然也可以在按图Ia的实施方式中使用纳米线N。这些纳米线N而后可以根据图Ic 比如垂直于一个或者多个横梁6a、6b、6c来布置。这些纳米线N的接触而后按照图Ic类似地进行。图2示出了用于暂时地向试验块加载额外的力的正弦状信号的所使用的频率范围。如前面所描述的一样按照图Ia或者说Ib借助于控制器件7来周期性地接通并且断开用于所述电极3a的电压，由此比如用频率f2来对所述微机械的传感器装置V的机械敏感性进行调制。该频率f2必须高于为所述微机械的传感器装置设置的有效带宽，但是必须低于所述微机械的传感器装置V的所谓的机械的角频率f5。在此f^f^t。所述用于微机械的传感器装置的机械敏感性的调制的频率f2必须进一步满足条件f3<f2<f4，其中 f3=f2-fi并且f4=f2+f\。同时同样必须f4<f5。所述相应的频率f\、f2、f3、f4、f5或者说其彼此间的间距依赖于所述解调器9中的滤波器的相应的类型和/或排序。如果借助于伪噪声信号暂时地给所述试验块1加载额外的力，那么所述伪噪声信号的频率就会高于频率f4并且尤其高于频率f5。在这些情况下，还进一步降低了干扰信号的可能的输入机率。 通过上面所提到的用频率f2进行的调制，在具有较高的频率f2的频带f3、f4中测量作用于所述试验块1的力。所述压阻的和/或压电的器件现在将由于外部的加速度而作用于所述试验块的力转换为电压。由此一方面现在尤其在使用压电的器件的情况下也可以测量所述试验块1的在时间上恒定的加速度。同时尤其在使用压阻的器件的情况下由此能够明显降低1/f噪声。如此转换的电压随后通过在解调器9中的相位正确的解调而转换为具有频率的基带。随后也可以进行低通滤波，从而最后在可能的低通滤波之后在用于作用于所述试验块1的加速度的输出端8上提供加速度信号。图3示出了按本发明的第一种实施方式的方法。按图3的方法在第一步骤S1中示出了外部的力作用于以活动的方式优选有弹性地布置在基片S上的试验块1的情况，在另一个步骤S2中示出了借助于压电效应将作用于所述试验块1的力转换为优选电气的信号的情况，在第三步骤S3中示出了暂时地尤其周期性地向所述试验块1加载额外的力的情况，在第四步骤S4中示出了对所述优选电气的信号进行分析的情况，并且在第五步骤S5中示出了根据所测量的信号提供加速度信号的情况。尽管前面借助于优选的实施例对本发明进行了描述，但本发明不局限于此，而是能够以多种多样的方式加以改动。
权利要求
1.用于测量加速度、压力和类似参数的微机械的传感器装置(V)，包括基片(S)，试验块(1 )，该试验块(1)以活动的方式优选有弹性地布置在所述基片(S)上，转换装置(E、5c、6c、6￡1、6以1^111)，所述转换装置化、5(3、6(3、6a、6b、Ws、Wh)用于借助于压电效应将作用于所述试验块(1)的力转换为优选电气的信号，力加载器件(3a、3b)尤其电极，用于向所述试验块(1)加载额外的力，用于控制所述力加载器件(3a、3b )的控制器件(7 )，其中所述控制器件(7 )如此控制所述力加载器件(3a、3b)，从而暂时地尤其周期性地向所述试验块(1)加载所述额外的力。
2.至少按权利要求1所述的微机械的传感器装置，其中所述力加载器件(3a、3b)靠近所述试验块(1)来布置，尤其基本上垂直于和/或平行于所述试验块(1)的偏移的方向来布置。
3.至少按权利要求1所述的微机械的传感器装置，其中所述用于借助于压电效应来转换力的转换装置(E、5c、6c、6a、6b、Ws、ffH)包括用于进行压阻的探测的器件(Ws、WH、N)和/ 或用于进行压电的探测的器件(E )。
4.至少按权利要求1所述的微机械的传感器装置，其中所述转换装置(E、5c、6c、6a、 6b、Ws、WH)包括至少一个尤其构造为横梁的形式的悬架(6a、6b、6c)，所述悬架(6a、6b、6c) 以活动的方式将所述试验块(1)固定在所述基片(S)上。
5.至少按权利要求3和4所述的微机械的传感器装置，其中所述用于进行压阻和/或压电的探测的器件(WS、WH、N、E)布置在所述至少一个悬架(6a、6b、6c)上。
6.至少按权利要求3或4所述的微机械的传感器装置，其中所述用于进行压阻和/或压电的探测的器件(WS、WH、N、E)包括纳米线(N)，所述纳米线(N)尤其垂直于所述悬架(6a、 6b、6c)来布置。
7.至少按权利要求1所述的微机械的传感器装置，其中所述用于进行压阻和/或压电的探测的器件(Ws、Wh、N、E)包括均勻的和/或结构化的构造为电阻(WS、WH)的形式的区域。
8.至少按权利要求1所述的微机械的传感器装置，其中所述转换装置(E、5c、6c、6a、 6、Ws、Wh)构造用于对力进行有差别的探测。
9.至少按权利要求1所述的微机械的传感器装置，其中设置了用于提高敏感性的器件(H)。
10.至少按权利要求9所述的微机械的传感器装置，其中所述用于提高敏感性的器件 (H)以至少一个杠杆臂(H)的形式来布置。
11.用于测量加速度、压力或者类似参数的方法，尤其适合于在按权利要求1-10中至少一项所述的装置上来执行，该方法包括以下步骤外力由于外部的加速度而作用于(S1)以活动的方式尤其有弹性地布置在基片(S)上的试验块(1)，借助于压电效应将作用于所述试验块(1)的力转换(S2)为优选电气的信号，暂时地尤其周期性地向所述试验块(1)加载(S3)额外的力，以及对所述优选电气的信号进行分析(S4)并且根据所分析的信号来提供(S5)加速度信号。
12.按权利要求11所述的方法，其中尤其在时间上分散地或者连续地分析(S4)所述电气的信号。
13.至少按权利要求11所述的方法，其中借助矩形的或者正弦状的信号或者伪噪声信号来向所述试验块(1)暂时地加载(S3)所述额外的力。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量加速度、压力和类似参数的微机械的传感器装置。该微机械的传感器装置包括基片、以活动的方式优选有弹性地布置在所述基片上的试验块、用于借助于压电效应将作用于所述试验块的力转换为优选电气的信号的转换装置、用于向所述试验块加载额外的力的力加载器件尤其电极、用于控制所述力加载器件的控制器件，其中所述控制器件如此控制所述力加载器件，从而暂时地尤其周期性地向所述试验块加载所述额外的力，并且本发明涉及一种相应的方法。
文档编号G01L9/08GK102313819SQ20111018322
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月1日 优先权日2010年7月2日
发明者布曼 A., 弗兰克 A., 恩格泽 M., 诺伊尔 R. 申请人:罗伯特·博世有限公司