具有弹力平衡的加速度传感器的制作方法

本发明涉及一种具有弹力平衡的加速度传感器。

背景技术：

在不同应用中使用加速度传感器来测量加速度。在此质量元件常常借助弹簧元件支承在基板上，在出现加速度时测量质量元件的偏移。为了提高对于加速度的灵敏度，希望尽可能减小弹簧的弹簧刚度，同时又不改变其它特性、如针对横向加速度的耐冲击性或灵敏度。但减小却受到所使用制造技术的限制并且通常已到达极限。

技术实现要素：

本发明所基于的任务在于提供一种具有低有效弹簧刚度或弹簧硬度的加速度传感器。

所述任务通过独立权利要求的技术方案来解决。扩展方案通过从属权利要求定义。

加速度传感器包括：传感器质量块，其借助弹簧元件沿运动轴线可动地支承在基板上；第一微调电极，其与传感器质量块连接；和第二微调电极，其与基板连接并且配置给第一微调电极。在此在传感器质量块沿运动轴线偏移时通过弹簧元件产生作用于传感器质量块的弹力并且在传感器质量块偏移时通过在第一微调电极和第二微调电极之间施加微调电压产生作用于传感器质量块的静电力，该静电力反作用于弹力。

通过第一和第二微调电极之间的微调电压，在传感器质量块偏移时不仅产生作用于传感器质量块的弹力而且也产生反作用于弹力的静电力。由于反作用的静电力总是在弹力产生时产生，因此这两个力平衡，从而系统的有效弹簧常数——其由弹簧元件的弹簧常数和微调电极对的弹簧常数组成——可通过调节微调电压自由地调节。

在没有微调电压时，通过弹簧元件产生的弹力逆着偏移方向向回推动传感器质量块。通过微调电压可减小并且例如完全消除该回复力。这相应于这样的系统，在其中传感器质量块通过无弹簧刚度的弹簧元件与基板连接。

将微调电压提高超越完全平衡导致具有负弹簧常数的系统、即这样的系统，其在传感器质量块偏移时不再返回静止位置中，而是继续沿偏移方向偏移。因此可通过在微调电极对之间施加微调电压任意调节基板－弹簧元件－传感器质量块－系统的弹簧刚度。

加速度传感器可包括与传感器质量块连接的传感器电极和与基板连接并且配置给传感器电极的检测电极。在此传感器质量块沿运动轴线的偏移可通过传感器电极和相配的检测电极之间的检测电压或作用于其的电荷的变化来确定。由此可控制具有可自由调节的弹簧硬度的加速度传感器并且读取由加速度传感器测得的加速度。

传感器电极的一部分可构造为第一微调电极并且构造为第一微调电极的传感器电极和第二微调电极之间的微调电压可以阻尼传感器质量块的偏移。由此为加速度传感器的一部分电极分配多个任务，由此加速度传感器可构造得更加紧凑。通过将一部分传感器电极用作第一微调电极，可避免在传感器质量块上设置附加的第一微调电极。

第一微调电极可对称于垂直于运动轴线的对称轴线设置在传感器质量块上并且第二微调电极可对称于垂直于运动轴线的对称轴线设置在基板上。通过这种完全对称设计的微调电极布置，只要传感器质量块未偏移，就不会产生作用于传感器质量块的合力。由此确保第一和第二微调电极的存在不会偏倚加速度传感器的读取，而是仅用于自由调节加速度传感器的弹簧硬度。此外，通过这种布置可降低制造公差的影响。

由第一微调电极和第二微调电极产生的静电力可等于由弹簧元件产生的弹力。由此确保即使在传感器质量块偏移时没有使传感器质量块回复到初始位置中的力有效作用于传感器质量块。因此传感器质量块可借助可能存在的激励电极和检测电极自由定位。这可减少或完全避免因制造公差引起的测量偏倚(bias)。

第一微调电极的一部分可构造为梳状电极并且第二微调电极可构造为电极板。构造为梳状电极的微调电极的支承梳状电极电极指的部分于是与第二微调电极构成平行极板电容器，其用于产生静电力。通过这种设计使第一微调电极除了产生反作用于弹力的静电力外，也可用于其它目的、如加速度检测。由此加速度传感器可构造得更为紧凑。

第一微调电极的一部分可构造为电极板并且构造为电极板的第一微调电极和相配的第二微调电极构成平行极板电容器。这允许简单地制造第一微调电极和第二微调电极，从而可简单且低成本地制造弹簧硬度可自由调节的加速度传感器。

可通过调节检测电压使传感器质量块保持在中性位置中，在该位置中测得的加速度与微调电压无关。实际作用的加速度在此不重要。由此确保独立于存在的微调电压测量传感器质量块的某一加速度。该加速度可通过检测电极和传感器电极确定并且与中性位置一同构成参数对，其表征所使用的加速度传感器。例如可由包括中性位置和相配加速度的参数对确定微调电极的位置或形状是否稳定或加速度传感器是否损坏。由此可提高加速度传感器的可靠性。

计算单元可由中性位置确定传感器质量块的第一位置与传感器质量块的第二位置的偏差，在第一位置中没有弹力作用于传感器质量块并且在第二位置中没有由传感器电极和检测电极产生的力作用于传感器质量块。由此可通过确定中性位置来确定因制造公差引起机械零点(即传感器质量块在无弹力时的位置)和电气零点(即传感器质量块在传感器电极和检测电极不产生合力时的位置)的偏差是否引起借助加速度传感器的加速度测量偏倚。由此提高加速度传感器的可靠性。

计算单元可基于中性位置的变化和用于消除弹力所需的微调电压的变化检验加速度传感器的错误。由此提高加速度传感器的可靠性。

加速度传感器可以是微机电系统(mems)。由此上述优点也可用于用于加速度测量的微机电系统中。

附图说明

本发明的上述和其它优点和特征在下面参考附图借助实施例详细说明。附图如下：

图1a和1b为根据一种实施方式的加速度传感器示意图；

图2为根据另一种实施方式的加速度传感器示意图；

图3为根据另一种实施方式的加速度传感器示意图；

图4为根据另一种实施方式的加速度传感器示意图；

图5为在根据一种实施方式的加速度传感器中产生测量偏倚的示意图；

图6为加速度传感器的弹簧硬度在不同微调电压作为参数时的关系示意图。

具体实施方式

图1a和1b以示意图示出根据一种实施方式的加速度传感器100。

该加速度传感器100包括基板110。传感器质量块120通过弹簧元件130沿运动轴线x可动地支承在基板110上。弹簧元件130在弹簧元件130的第一侧上与基板110固定连接并且在弹簧元件130的第二侧上与传感器质量块120固定连接。弹簧元件130允许传感器质量块120沿运动轴线x偏移。例如弹簧元件130可构造为弯梁弹簧(biege-balkenfedern)，其垂直于运动轴线x延伸并且因此仅允许沿运动轴线x的运动，而不允许垂直于运动轴线x的运动。但弹簧元件130也可具有任何其它形状，其允许传感器质量块120沿运动轴线x偏移。

第一微调电极140与传感器质量块120连接。在此第一微调电极140与传感器质量块120固定连接，例如传感器质量块120和第一微调电极140可构造成一体的，即第一微调电极140是传感器质量块120的一体组成部分。

第二微调电极150与基板110连接并且配置给第一微调电极140。在此第二微调电极150与基板110固定连接。例如第二微调电极150可以是基板110的一体组成部分。

这样设计第一微调电极140和第二微调电极150的配对，使得在传感器质量块120的静止位置中没有由第一微调电极140和第二微调电极150产生的力作用于传感器质量块120，因为如下面进一步描述的在微调电极140、150之间产生的分力平衡。

第一微调电极140和第二微调电极150在此无需对称设置在传感器质量块120或基板110上。例如所有第一微调电极140可位于传感器质量块120的一侧上或在传感器质量块120的一端上。

如图1b所示，在传感器质量块120沿运动轴线x偏移时弹簧元件130产生弹力135，该弹力使传感器质量块120向初始位置回复，在该位置中由弹簧元件130产生的力平衡或在该位置中所述力抵消(机械零点)。同时通过在第一微调电极140和第二微调电极150之间施加微调电压产生作用于传感器质量块120的静电力145，该静电力反作用于弹力135，如下面所描述的。

例如通过在第一微调电极140和第二微调电极150之间施加微调电压第一微调电极140可具有第一电荷、如负电荷、并且第二微调电极150可具有与第一电荷相反的第二电荷、如正电荷。这导致在第一微调电极140和第二微调电极150之间产生静电合力，其在第一微调电极140接近第二微调电极150时增大。

因此在传感器质量块120偏移时可产生这样的力，该力使传感器质量块120通过与传感器质量块120固定连接的第一微调电极140进一步朝向与基板110固定连接的第二微调电极150移动。该静电力145反作用于通过弹簧元件130产生的弹力135。因此作用于传感器质量块120的合力有效减小，这相当于加速度传感器100弹簧常数的减小。

如图1a和1b所示，可这样构造第一微调电极140和第二微调电极150，使得静电力145由不同分力组成。在图1b中在第一微调电极140和第二微调电极150的更靠近被压缩弹簧元件130的侧面(在图1b中为第二微调电极的左侧)之间产生分力，该分力大于在第一微调电极140和第二微调电极150的右侧之间产生的分力。这种情况是因为第一微调电极140和第二微调电极150左侧之间的距离小于第一微调电极140和第二微调电极150右侧之间的距离。

根据另一种实施方式，在其中第一和第二微调电极不同地构造、例如构造为平行极板电容器的电极对，第二微调电极比第一微调电极更靠近弹簧元件130，以便在弹簧元件被压缩时基于第一和第二微调电极之间变小的距离产生反作用于弹力135的静电力。由于传感器质量块120可沿运动轴线x在两个方向上运动(在图1a和1b中向左和向右)，因此需要至少两对第一和第二微调电极。静电合力145产生于各个微调电极对之间的力。

因此可通过在第一微调电极140和第二微调电极150之间施加的微调电压自由调节加速度传感器100的弹簧硬度或者说弹簧刚度。由此例如使弹力135和静电力145完全平衡，以致在传感器质量块120偏移时不再存在回复力。但静电力145也可过度平衡、即超越弹力135，使得仅在传感器质量块120进行小的偏移时静电力145即可增强地使传感器质量块120进行大的偏移。由于这可导致传感器质量块120的即时过度控制，因此这种方式的加速度传感器100只能借助附加的复位电子装置在闭环控制回路中运行。

图2示出具有示意性示出的、用于读取加速度的传感器电极160的加速度传感器100，所述传感器电极与传感器质量块120连接并且配置给示意性示出的检测电极170，所述检测电极与基板110连接。传感器电极160和检测电极170之间的电压可与传感器质量块120沿运动轴线x的偏移有关并且因此可确定传感器质量块120的偏移。由该偏移又可确定作用于传感器质量块120的加速度。

在结束测量后传感器电极160和检测电极170可用于使传感器质量块120再次复位。

但也可这样调节传感器电极160和检测电极170之间的电压，使得传感器电极160和检测电极170之间的合力精确平衡作用于传感器质量块120的加速力并且因此用于使传感器质量块120复位。由此传感器质量块120始终保持在同一位置中。用于保持位置所需的、传感器电极160和检测电极170之间的电压于是用于确定加速度。

如图2所示，读取通过传感器质量块120的实际位置变化产生的传感器电极160和检测电极170之间的电压变化大多在运行中借助开环控制回路进行，而将传感器质量块120调节到固定位置上则借助闭环控制回路实现。

根据一种实施方式设有至少一个包括传感器电极160和检测电极170的电极对——在其中在沿运动轴线x偏移时电极间隙减小——和至少一个电极对——在其中在相同偏移时电极间隙增大。根据另一种实施方式，一部分传感器电极160和检测电极170用于加速度测量并且另一部分用于使传感器质量块120复位。

传感器电极160和检测电极170在此无需对称设置在传感器质量块120或基板110上。例如所有传感器电极160可设置在传感器质量块120的一侧上或传感器质量块120的一端上。

当加速度传感器100借助闭环控制回路运行时，有利的是，可自由确定传感器质量块120在测量期间应占据的位置。但基于通过弹簧元件130产生的弹力通常情况并非如此，因为弹簧元件130－传感器质量块120系统具有特定机械零点，在机械零点中所有弹力135平衡或抵消。但由于借助在第一微调电极140和第二微调电极150之间施加的微调电压产生静电力145，该静电力反作用于弹力135或甚至完全平衡弹力，因此可在借助闭环控制回路的运行中在很大程度上与机械零点位置无关地或甚至完全自由地确定传感器质量块120的位置。这使得加速度传感器100以最简单的方式运行。

此外，基于弹力135通过静电力145的平衡，由温度变化引起的加速度传感器100各部件之间的相对运动对加速度传感器100测量结果的影响大大减弱。温度变化可引起加速度传感器100各部件的膨胀或收缩。这通常使系统的机械零点偏移并且在未平衡弹力135的情况下导致加速度传感器100测量结果的附加偏倚。由于基于温度变化的膨胀或收缩有滞后效应，因此在没有微调电压平衡时在相同温度下也可能出现不同的测量结果。通过以静电力145几乎完全平衡弹力135可克服该问题，因为由此系统更少地或甚至完全不再受到机械零点因温度变化偏移的影响。因此加速度传感器100更加可靠。

图3示出一种作为微机电系统(mems)的加速度传感器200的实施方式，其包括基板210、传感器质量块220、弹簧元件230、第一微调电极240、第二微调电极250、传感器电极260和检测电极270。

加速度传感器200传感器电极260的一部分在此构造为第一微调电极240。在图3中这是更靠近弹簧元件230的传感器电极260。但根据另外的实施方式其它传感器电极260也可构造为第一微调电极240。此外，第二微调电极250这样设置在传感器电极260和检测电极270之间，使得第一微调电极240和第二微调电极250之间的微调电压不仅用于平衡由弹簧元件230产生的弹力，而且也阻尼传感器质量块220的振动。第二微调电极250因此同时用作减振电极。

第一微调电极240的一部分在此构造为梳状电极，其电极指与检测电极270的相应电极指齿状交错。第一微调电极240的远离检测电极270电极指的一侧在此与构造为电极板的第二微调电极250构成平行极板电容器。第一微调电极240因此以其电极指用作传感器电极260并且以其背侧用作与第二微调电极250电极板对应的配合电极板。因此可为加速度传感器200的一些电极分配多个任务。即，第一微调电极240不仅用于检测出现在加速度传感器200上的加速度，而且也用于调节加速度传感器200的弹簧刚度。第二微调电极250不仅用于阻尼通过加速度传感器200的加速度引起的传感器质量块220的振动，而且也用于调节加速度传感器的弹簧刚度。由此加速度传感器200运行所需的部件数量可降到最低并且加速度传感器200可紧凑且低成本地构造。

根据另一种在图4中示出的msms加速度传感器300可将加速度的读取与弹簧硬度的调节分开。加速度传感器300为此包括基板310、传感器质量块320、弹簧元件330、第一微调电极340、第二微调电极350、传感器电极360和检测电极370。

在此第一微调电极340对称于垂直于运动轴线x的对称轴线设置在传感器质量块上并且第二微调电极对称于相同的垂直于运动轴线x的对称轴线设置在基板上。如图4所示，传感器电极360和检测电极370与第一微调电极340和第二微调电极350分开设置。

通过第一微调电极340和第二微调电极350的对称设计可确保微调电极340、350的电极间隙完全对称地设计，由此只要传感器质量块未偏移，就不产生作用于传感器质量块320的合力。此外，通过将第一微调电极340、350集中设置在传感器质量块320的特定位置上、如传感器质量块320中间，还可降低制造公差的影响。

此外，如图3通过第二微调电极250实现的减振电极可单独集成到图4的加速度传感器300中。这可在借助相应可调的读取电压、减振电压和微调电压来进行加速度传感器300的控制、减振、读取和微调时实现较大的灵活性。

图4中所示的微调电极340、350构造为电极板并且构成平行极板电容器。这允许简单且低成本地制造加速度传感器300。根据另外的实施方式，构造为平行极板电容器的第一和第二微调电极340、350也可设置在传感器质量块320的其它位置上、如传感器质量块320的边缘上、传感器质量块320的仅一侧上或传感器质量块320的任意位置上。

图5示出处于这种情况下的加速度传感器100，在其中传感器质量块120的机械静止位置——例如基于制造公差——与传感器质量块120的电气静止位置(例如在传感器质量块120无传感器电极160和检测电极170的合力时的位置)相互不同。除了机械静止位置和电气静止位置外，还存在微调静止位置，在其中在第一微调电极140和第二微调电极150之间没有力作用或者说作用力平衡。下面简单假设机械静止位置相应于微调静止位置。

如图5示意性通过弹簧元件130的相同长度和第一微调电极140处于第二微调电极150之间的中间位置表明传感器质量块120处于机械静止位置(或者说微调静止位置)中，在其中弹簧元件130和第一和第二微调电极140、150没有施加沿运动轴线x作用于传感器质量块120的力。

但基于制造公差常常出现这种情况，即，机械静止位置与电气静止位置互不相同，所述电气静止位置通过传感器电极160和检测电极170的位置确定。这在图5中示意性通过传感器电极160和检测电极170之间不同的距离来表示。传感器电极160和检测电极170在图5中显示为简单的电极板。但根据另外的实施方式它们也可具有如图2和3所示的梳状电极的形式，或可以是梳状电极和电极板的混合形式。

虽然传感器质量块120机械静止，但读取电子装置从传感器电极160与检测电极170的相对位置推导出，已经存在沿运动轴线x的加速度。这通常导致测量结果偏倚，如应实现精确测量，则必须校正该偏倚。

如上所示，在加速度传感器100借助闭环控制回路运行时，传感器质量块120保持在特定位置中。通过借助在第一和第二微调电极140、150之间施加的微调电压来减小整个加速度系统的弹簧硬度，可自由选择该位置并且例如这样进行调节，使得包括传感器电极160和检测电极170的测量系统可确定传感器质量块120未移动，即加速度传感器100例如可在电气零点上运行。

但根据另一种实施方式也可使具有传感器质量块120的加速度传感器100在微调静止位置中运行。这在机械静止位置——例如基于制造公差——与微调静止位置不一致时也是可能的。借助闭合控制回路如上所述通过传感器电极160和检测电极170产生回复力，该回复力将传感器质量块保持在微调静止位置中。然后电子计算与电气静止位置的偏差，以便获得正确的测量结果。

另一方面，可通过在传感器电极160和检测电极170之间作用的电压这样改变传感器质量块120的位置，使得其保持在中性位置中，在该位置中用于进一步偏移所需的加速度与微调电压无关。该位置通常与机械零点重合。中性位置和相应的加速度一同构成特征参数对，借助它们可检验加速度传感器100的功能性。尤其是可借助计算单元确定机械零点和电气零点的偏差并且由此确定和补偿测量结果偏倚。

这例如可借助图6中所示的曲线图实现。图6示出传感器质量块120偏移所需的力f与位置x关于用于小偏移的微调电压的关系。当没有微调电压时，则产生相应于实线的关系。通过提高微调电压，该线围绕中性点n沿箭头a方向旋转，这通过虚线示出。在特定微调电压下所产生的静电力145完全平衡弹力135，由此用于偏移所需的f完全与位置x无关(图6中的水平虚线h)。

中性点n——其x坐标相应于中性位置——现在可用于确定偏倚。由于待消耗的力f和位置x借助包括传感器电极160和检测电极170的读取系统确定，因此机械零点和电气零点之间的偏移正好相应于n的x值。因此通过检测中性点n可确定或者说监控偏倚。

此外，可借助中性点n检验加速度传感器100的错误。为此在加速度传感器投入运行时，首先确定中性点n。当中性点n的位置水平变化时，这意味着电极结构变化，即微调电极140、150的位置或形状不稳定或传感器电极和检测电极的电气静止位置发生变化。相反，当中性点n位置沿垂直方向变化时，则电极结构(微调电极140、150、传感器电极160、检测电极170)稳定。因此原因在于基于机械力作用的变化，该变化导致加速度传感器100所用材料的晶体结构中的位错。

因此在根据本发明的加速度传感器中可自由调节加速度传感器的弹簧硬度或弹簧刚度。基于该可自由调节性能够确定对于加速度传感器运行重要的参数、如中性点n位置并且提高加速度传感器的可靠性。