专利名称：Mems加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS加速度传感器，该MEMS加速度传感器具有基底以及在X_Y平面内平行于基底安置的传感器模块，其中传感器模块能够绕一轴线旋转地连接至基底，传感器模块包括多个孔，并且传感器模块的重量在旋转轴线的两侧不同，该MEMS加速度传感器还具有用于检测传感器模块绕其旋转轴线旋转运动的传感器元件。
背景技术：
通过专利公开文献US2010/0024554A1可知一种加速度传感器，其被设置成微机电系统(MEMS)。传感器包括基底以及在X-Y平面内平行于基底安置的传感器模块。传感器模块能够绕轴线旋转地连接至基底。为了能够实现传感器模块在旋转轴线两侧上不同的重量，附加的模块在X-Y平面内于旋转轴线一侧被添加至传感器模块。因此传感器模块在所述一侧上相比另外一侧更远离旋转轴线延伸。因而在旋转轴线的两侧之间出现不平衡，因为在沿Z方向存在加速度的情况下传感器模块绕旋转轴线倾斜/倾转，所以借此沿Z方向的加速度能够被检测。因为传感器元件之间的距离改变并且从而产生不同的电信号，所以能够确定传感器旋转运动的传感器元件在基底与传感器模块之间安置。所述实施例的缺点在于为了能够在X-Y平面内接收额外的模块，基底上的传感器模块需要相对大的空间。通过专利公开文献US2009/0031809A1可知一种加速度传感器，其也包括能够绕旋转轴线旋转的传感器模块。在传感器模块中安置多个孔，部分地是由于传感器模块的制造并且为了降低传感器模块的重量。为了能够实现传感器模块在旋转轴线两侧上具有不同的重量，根据该发明，不同数量或尺寸的孔在传感器模块中设置于旋转轴线两侧。尽管这里在传感器模块两侧上的基底需要相同的面积，然而旋转轴线的两侧上引起不平衡。然而，因此缺点是由于传感器模块两半中不同的孔导致的不同面积使得连接至基底并且在传感器模块底侧安置的传感器元件的电极同样具有不同的基极电容。
发明内容
因此本发明的目的在于制造一种MEMS加速度传感器，所述MEMS加速度传感器在基底上具有小的所需面积并且仍然允许基底的或传感器的加速度的可靠检测。该目的借助于具有独立权利要求1特征的MEMS加速度传感器实现。根据本发明的MEMS加速度传感器包括基底以及在X-Y平面内平行于基底安置的传感器模块。传感器模块绕轴线能够旋转地连接至基底。在传感器模块中设置多个孔。为了能够检测垂直于旋转轴线的加速度，传感器模块的重量被设置以使得在旋转轴线的两侧不同。还设有适合的用于检测传感器模块绕旋转轴线的旋转运动的传感器元件。所述传感器元件大体为电容传感器的平板电极。电容传感器的一个电极附着在基底上，而电容传感器的另一个与之相对安置的电极附着在传感器模块的底侧上。因此传感器模块绕其旋转轴线的旋转运动导致传感器元件的两个电极不是彼此分开就是朝向彼此移动。从而产生了电信号中的变化，因此能够通过该变化确定电极彼此的距离以及由此传感器模块绕旋转轴线的旋转运动。为了改变传感器模块在旋转轴线的一侧上相对于旋转轴线另外一侧上的重量，作出传感器模块在旋转轴线的一侧上相对于旋转轴线另外一侧上质量的改变。为此目的，传感器模块的材料在一些孔所在的区域被部分地去除以便降低传感器模块的重量。附加地或可替代地，材料也可以添加至传感器模块以便增加传感器模块的重量。为此目的，根据本发明，沿Z方向能够示出所述增加的材料特别地在孔的延伸方向中增加。传感器模块的所添加的材料也可以出现在没有设置孔的区域中。所有这些创造性措施的关键点在于改变传感器模块物料的厚度以便传感器模块在旋转轴线的一侧上相比旋转轴线另一侧上产生不同的重量。一侧上的孔能被扩大，即传感器模块的材料在靠近孔处或孔的区域中被去除。也可以将材料添加至位于另一侧上的传感器模块。为此目的，传感器模块的物料被设置成在预想的区域比传感器模块的其余部分更厚。因此在传感器模块的区域中形成穿过传感器模块分布的更厚区和更薄区以使得在旋转轴线的两侧上实现不同的质量分布。传感器模块厚度中这种差异的制造可以通过蚀刻传感器模块实现，为制造这样的差异(如为了获得传感器模块的个别高度变化)使用不同的掩模或夹层掩模。本发明主要的优点为在X-Y平面中传感器模块相对小的区域内产生传感器模块在传感器模块旋转轴线的两侧不平衡的可能性，借助于此加速度传感器能够检测沿Z方向的加速度。在本发明有利实施例中，传感器模块的材料在旋转轴线的两侧也能够被影响，以使得优选的是，传感器模块的底侧在旋转轴线两侧相同。因此初始状态下传感器元件能够在传感器模块的旋转轴线的两侧检测相同的信号。情况如此是因为传感器元件附着在传感器模块的电极能够在旋转轴线的两侧同样地设置，并且具有距附着在基底的电极相同的间隔。在本发明又一个有利实施例中，传感器模块的旋转轴线相对于传感器模块的凸起区域对称地安置。这意味着传感器所需的面积在旋转轴线的两侧是相同的。其结果为加速度传感器所需的面积可能最小。然而，本发明不限于传感器模块的凸起表面相对于旋转轴线对称的设置。除了根据本发明的用于影响传感器模块材料厚度的措施以外，同样还提出了非对称凸起表面(例如通过在X-Y平面内添加额外的物料)以便产生进一步不平衡。在本发明尤其有利的实施例中，孔设置为通孔。这使得传感器模块更容易采用传统的方法制造并且附带地降低了传感器模块的重量。作为本发明的改型，有利的是孔做成台阶形。这意味着孔例如为圆柱形、矩形或方形，其中在孔起始点的内径比孔终点的内径大。更大的孔径优选地设在传感器模块的背离基底的一侧上。作为可替代的方案，孔同样可以设计成圆锥形。这里再次有利的是圆锥形孔更大的直径设在传感器模块的背离基底的一侧上。这使得制造更加容易。如果传感器模块的材料在旋转轴线的一侧被至少部分地去除以便产生传感器模块更薄的壁，那么在传感器模块中产生了大体上厚的区域和更薄的区域。与传感器模块在旋转轴线相反侧的重量相比，能够沿Y方向在传感器模块的整个宽度上延伸的或是沿X方向一侧在传感器模块的整个长度上延伸的传感器模块更薄的区域显著地降低了传感器模块一侧的重量。
为了增加传感器模块的重量，也可以设置成将材料至少部分地添加至传感器模块以便相对于传感器模块的常规厚度产生传感器模块的更厚的壁。因此在传感器模块上产生的凸起部能够一侧沿Y方向在整个宽度和/或沿X方向在整个长度中分区域地延伸。本发明非常特别的优点通过在传感器模块的背离传感器元件的一侧上去除或添加材料实现。因此传感器模块在其底侧即朝向基底一侧上的构造没有改变。相应地，传感器模块的底侧在旋转轴线的两侧具有相同的构造。因为在零位处两侧输出相同的信号，所以由电极检测绕旋转轴线的旋转运动变得更加容易。表面可以是相同尺寸并且同样使用以安装传感器元件。沿Z方向可以看出，传感器模块物料的改变以及因而重量的改变仅发生在传感器模块不具有传感器元件的一侧上。在本发明又一有利的实施例中，材料在传感器模块的安置传感器元件区域的外侧去除或添加。通过传感器元件检测旋转运动不受以下事实影响，即传感器模块的材料的改变以及因而重量的改变独立于传感器元件在旋转轴线的两侧实行。如果传感器模块被安装用于进入和/或离开X-Y平面(在X-Y平面内和/或在X-Y平面外)的旋转，那么根据本发明的加速度传感器特别有利地适用。因此不但能够检测沿Z方向的加速度也能检测沿X方向和Y方向的加速度。根据本发明的MEMS加速度传感器同样能构造成设置多个用于检测沿多个方向加速度的传感器模块。因此该传感器能够用作I维、2维或3维传感器。
本发明更多的优点在接下来的示意性实施例中描述。有显示:图1示出了 MEMS加速度传感器的俯视图，图2示出了图1的侧视图，图3示出了图1中MEMS加速度传感器的细节，图4示出了 MEMS加速度传感器又一实施例的俯视图，图5示出了 MEMS加速度传感器的图4的侧视图，图6在俯视图示出了 MEMS加速度传感器再一个实施例，图7示出了图6的细节，图8示出了图6中MEMS加速度传感器横截面的细节，并且图9示出了图8实施例的替代方案。
具体实施例方式图1以示意图示出了根据本发明的加速度传感器I的俯视图。MEMS加速度传感器I包括具有矩形突出表面的传感器模块2。传感器模块2在X-Y平面内延伸。沿Y轴方向连接扭转弹簧3，传感器模块2借助该扭转弹簧安装到锚固件4上。扭转弹簧3沿Y轴或传感器模块2的旋转轴线延伸。如果沿从绘图平面向外伸出的Z轴方向出现加速度，那么传感器模块2绕旋转轴线6或Y轴旋转。这种情况的原因在于传感器模块2在Y轴两侧的质量分布不同。至Y轴的右侧，传感器模块2具有偏置部5。自偏置部5起，传感器模块2的厚度降低。因此传感器模块2至Y轴右侧的总质量比传感器模块至Y轴左侧的总质量小。因此对于沿Z方向的加速度，将产生Y轴左侧比Y轴右侧更大的转矩。相应地，传感器模块2将倾向于朝向旋转轴Y左侧而不是右侧倾斜/倾转。图2以示意图示出了图1中加速度传感器I的侧视图。传感器模块2借助于锚固件4和此处未示出的弹簧3连接至基底7。传感器模块2绕沿着Y轴方向延伸的旋转轴线6旋转。第一传感器电极8'附着在基底。第二传感器电极8"在传感器模块2的下侧与所述传感器电极8'相对地安置。两个传感器电极8'和8"产生作为它们之间距离函数的电信号。对于传感器模块2绕旋转轴线6的旋转运动，两个传感器电极8'和8"之间的距离发生变化，同时导致相对于基础信号发生改变的信号。传感器模块2沿Z轴方向具有不同的厚度。虽然传感器模块2朝向Y轴左侧具有厚度D，但是朝向Y轴右侧自所述偏置部5起厚度降低至d。因此传感器模块2沿X轴方向在偏置部5后比传感器模块2的其余区域更薄。这导致了与朝向旋转轴线6左侧厚度相比朝向旋转轴线6右侧较低的总质量。因此，对于沿Z方向的加速度，传感器模块2绕旋转轴线6逆时针旋转。因此旋转轴线6左侧的传感器电极8'和8"之间的距离减少，而旋转轴线右侧的传感器电极8'和8"之间的距离增加。信号中相应的改变通过未示出的分析单元被检测并且表明了沿Z方向的加速度。从图1中可以看出，传感器模块2具有多个孔9。该示意性实施例中的孔9在传感器模块2的整个区域内均匀分布。图3示出了处于偏置部5和孔9区域中传感器模块2横截面的放大细节视图。通过这种展示，明显的是孔9'设置在传感器模块2具有厚度D的较厚区域中，而较短的孔9 "设置在传感器模块2的位于偏置部5后具有厚度d的较薄区域中。在传感器模块2的朝向基底7和传感器电极8'的底部区域中，可以看出传感器模块2的较厚和较薄区域之间没有区别。因此传感器电极8"可以不管传感器模块2质量的变化而在传感器模块2的底侧上安置。因此相对于传感器模块2凸起区域所需的面积在旋转轴向6的两侧是相等的。这同样适用于传感器模块9底部上孔的模式。传感器模块2的厚度仅沿Z方向并且在传感器模块2的顶侧上变化。图4示出了加速度传感器I可替代的示意性实施例。传感器模块2从根本上正如图1、图2和图3所描述地设置。区别在于在旋转轴线6的右边设置由两个偏置部5造成的凸起部10。在凸起部10的区域内，传感器模块具有大的厚度D，而传感器模块2在其余区域具有较小的厚度d。在突起部10中以及偏置部5所在的区域中设置的孔正如图3所示设置。因此旋转轴线6右侧的质量比旋转轴线6左侧的质量大。因此对于沿Z方向的加速度，传感器模块2将经受绕旋转轴线6的顺时针旋转。因此旋转轴线6右侧的传感器电极
8,和8"之间的距离减少，而旋转轴线左侧的传感器电极8'和8"之间的距离增加。所述传感器电极8'和8"的电信号的相应分析同样导致了沿Z方向已出现加速度的结果。该示意性实施例中传感器模块重量的改变相应地出现在于材料已添加至传感器模块以及因此在凸起部10中的该添加物料中设置的孔被伸长。通过去除材料方式的本发明不同的实施例如图6的示意性实施例所示。此处再次地，该示意性实施例基本上为如图1和图4所示的加速度传感器I。此处的区别在于传感器模块2的厚度各处都是相同的。质量的改变得以实现在于，个别孔在传感器模块2的顶侧相对于孔9的常规实施例被扩大。这对安置在旋转轴线右侧的孔产生影响。与Y轴平行的前四排中的孔V "的顶侧被扩大。图7示出了这种经扩大的孔9'"的放大视图。孔9'"具有正方形的横截面。在顶侧，孔9'"具有相比底侧更大的边长。图8示出了通过根据图7的孔9'"的横截面。明显的是孔9'"为台阶状。至传感器模块2大约一半的厚度处，孔9'"设有比其在传感器模块2下半部处更大的边长。因此传感器模块2的底侧相对于旋转轴线6右侧与相对于旋转轴线6左侧相比具有相同的孔模式。相对于孔9的变化仅在传感器模块2的顶侧作出。因为反过来确保了传感器模块2在旋转轴线6的左侧和右侧质量上的变化并且因而导致的重量上的变化。还确保了由于在旋转轴线6的左侧和右侧在传感器模块2的底侧上相同的孔模式，传感器元件有利地提供相同的输出信号。图9示出了图8中孔形状的一种可替代方式。此处示出的孔9'"具有圆锥形横截面。因此优点再次被提出，即借助这种措施能够影响传感器模块2的质量和重量，并且位于传感器模块2底侧上用于传感器元件8,和8"电信号相应分析的孔的模式在旋转轴线6的两侧是相同的。正如传感器模块2厚度的设计，孔的形状同样可能具有多种不同形状。同样不强制底侧上孔的模式在旋转轴线6的两侧必须要相同。尽管不完全有利，本发明同样可以采用不同的孔的模式实施。在俯视图中孔可以具有圆形、正方形、矩形或其他横截面形状。它们同样能够在传感器模块2的厚度之内改变横截面形状。然而，用于生产的技术可能性允许孔在沿Z方向的横截面中得以实施。通过使用若干硅层，或生产过程尤其是刻蚀过程相应的掩模处理生产台阶状孔。根据本发明的传感器模块2同样能够在基底上安置多次。借助于相应地选择凸起区域以及对于正交X-Y-Z轴系统旋转轴线的布置，传感器模块不仅能如这里所示检测沿Z方向的加速度，还能够检测沿X方向和/或Y方向的加速度。不同孔形状(无论是长度还是横截面形状)的使用同样能够用于不仅离开X-Y平面旋转而且也能在X-Y平面内移动(如绕Z轴的旋转运动)的加速度传感器。孔这样的变化因而也能够导致不均匀的质量分布，并且因此实现本发明相应的优点。参考列表I MEMS加速度传感器2 传感器模块3 弹簧4 锚固件5 偏置部6 旋转轴线7 基底8 传感器元件9 孔10 凸起部
权利要求
1.一种MEMS加速度传感器，所述MEMS加速度传感器具有基底(7)以及在X-Y平面内平行于所述基底(7 )安置的传感器模块(2 )， 所述传感器模块(2)绕旋转轴线(6)能够旋转地连接至所述基底(7)， 所述传感器模块(2 )包括多个孔(9 )，并且 所述传感器模块(2)的重量在所述旋转轴线(6)的两侧不同，并且 所述MEMS加速度传感器还具有传感器元件(8 )，所述传感器元件用于检测所述传感器模块(2)绕所述旋转轴线(6)的旋转运动， 其特征在于，为了改变所述传感器模块(2)在所述旋转轴线(6) —侧上相对于所述旋转轴线(6)另一侧上的重量， 所述传感器模块(2)的材料在一些孔(9)所在的区域内被部分地去除，以便降低所述传感器模块(2)的重量，和/或 所述传感器模块(2)的材料沿Z方向、尤其沿所述孔(9)的延伸方向被增加，以便增加所述传感器模块(2)的重量。
2.如前一权利要求所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，所述旋转轴线(6)相对于所述传感器模块(2)的凸起表面对称地安设置。
3.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，所述孔(9)为通孔。
4.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，所述孔(9'")为台阶形。
5.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，所述孔(9〃 ")为圆锥形。
6.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，所述传感器模块(2)的材料在一侧上至少部分地被去除，以便产生所述传感器模块(2)的更薄的壁。
7.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，材料被至少部分地添加至所述传感器模块(2)，以便产生所述传感器模块(2)的更厚的壁。
8.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，材料被添加至所述传感器模块(2)的背离所述传感器元件(8)的那侧或从该侧被去除。
9.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，材料被添加至所述传感器模块(2)的安置所述传感器元件(8)区域的外侧或从该外侧被去除。
10.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，为了在X-Y平面内旋转和/或离开X-Y平面旋转，所述传感器模块(2)被能够旋转地安装。
11.如前述权利要求的其中一项或多项所述的MEMS加速度传感器，其特征在于，所述MEMS加速度传感器(I)包括多个传感器模块(2)，用于沿多个方向检测加速度。
全文摘要
本发明涉及一种MEMS加速度传感器，具有基底(7)以及在X-Y平面内平行于所述基底(7)安置的传感器模块(2)。传感器模块(2)绕旋转轴线(6)能够旋转地连接至基底(7)并且包括多个孔(9)。传感器模块(2)的重量在旋转轴线(6)的两侧上不同。传感器具有用于检测传感器模块(2)绕旋转轴线(6)的旋转运动的传感器元件(8)。为了改变传感器模块(2)在旋转轴线(6)一侧相对于旋转轴线(6)另一侧的重量，传感器模块(2)的物料在一些孔(9)的区域内被部分地去除以便降低传感器模块(2)的重量，和/或沿Z方向尤其是孔(9)的延伸部添加传感器模块(2)的物料以便增加传感器模块(2)的重量。
文档编号G01P15/125GK103185809SQ20121057272
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月26日 优先权日2011年12月28日
发明者亚历桑德鲁·罗基, 阿道夫·詹巴斯蒂亚尼 申请人:马克西姆综合产品公司