微机械惯性传感器

摘要

本发明涉及一种微机械惯性传感器(100)，具有：‑衬底(10)；‑至少两个相同的、分别具有可运动的非对称的振动质量(21a、21b、31a、31b)的z传感器芯(20、30)，其中，所述可运动的非对称的振动质量(21a、21b、31a、31b)能够分别围绕扭转轴(22、32)扭转；‑其特征在于，这两个z传感器芯(20、30)相对彼此扭转180°地布置在所述衬底(10)上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机械惯性传感器。本发明还涉及一种用于制造微机械惯性传感器的方法。

背景技术

已知的微机械加速度或惯性传感器通常具有MEMS结构。

这样制造的可运动的MEMS结构(“振动质量”)大部分以另外的工序借助罩晶片密封。根据应用，在由此封闭的容积内部包含合适的内压，其中，所述封闭大部分通过密封玻璃键合方法或通过共晶键合方法、例如通过AlGe实现。

为了在这种制造过程中制造z加速度传感器，在微机械功能层中构造摆杆结构，所述摆杆结构通过扭转弹簧锚固在衬底上。摆杆结构的质量分布非对称地构造，其中，在摆杆结构下方布置有两个电极面，以便可以在测量技术方面电容式地感测摆杆结构的偏移。

该布置不利的是，这样构造的摆杆承受热偏移效应，该热偏移效应可以将力在一侧施加到摆杆上。当热传播这样形成，使得两个摆杆侧承受不同的热影响时，尤其是这种情况。只要在小质量侧和大质量侧上的热绝缘是不同的，那么z摆杆在大质量侧和小质量侧的传统优化没有消除该误差。

如果在z惯性传感器上作用有垂直温度梯度，那么在传感器中产生辐射效应。来自冷侧的气体原子具有小于来自热侧的气体原子的速度，其中，通过这些不同速度的原子与可运动的质量的碰撞将力施加到可运动的质量上。

前面描述的已知的具有非对称摆杆的z惯性传感器以不期望的摆杆偏移的形式对这种气体动力非常强烈地做出反应。对称摆杆也对于温度梯度做出反应。这能够基于以下原因：在层厚度中在摆杆的轻侧和重侧之间的穿孔不同，由此在那里发生气体原子的不同的脉冲传递，所述脉冲传递引起力。

对于限定的内压和目标温度可以这样适配各个穿孔的大小，使得两侧处于平衡中。但每个温度或压力改变又将z惯性传感器从平衡中带出来。

发明内容

因此，本发明的任务是，在避免上面提到的缺点的情况下提供微机械惯性传感器。

根据第一方面，所述任务通过一种微机械惯性传感器解决，所述微机械惯性传感器具有：

-衬底；

-至少两个相同的、分别具有可运动的非对称的振动质量的z传感器芯，其中，可运动的非对称的振动质量可以分别围绕扭转轴扭转；

-其特征在于，两个z传感器芯相对彼此扭转180°地布置在衬底上。

以该方式，提供一种微机械惯性传感器，该微机械惯性传感器可以沿z方向进行传感。由于两个传感器芯以180°扭转的布置，可以进行传感器信号的改善的分析处理，因为可以消除或至少强烈地减小热流，所述热流以辐射效应不利地作用到振动质量上。由此可以有利地补偿偏移误差和/或旋转效应。

根据第二方面，所述任务通过一种用于制造微机械惯性传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：

-提供衬底；

-在衬底上提供至少两个相同的、分别具有可运动的非对称的振动质量的z传感器芯，其中，可运动的非对称的振动质量布置成可以分别围绕扭转轴扭转，其中，两个z传感器芯相对彼此扭转180°地布置在衬底上。

微机械惯性传感器的优选扩展方案是从属权利要求的主题。

微机械惯性传感器的有利扩展方案的特征在于，所述微机械惯性传感器还具有两个x传感器芯和/或两个y传感器芯。以该方式，提供一种微机械惯性传感器，该微机械惯性传感器可以在所有的笛卡尔坐标x、y、z中进行传感。

微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，传感器芯的至少一部分的输出信号彼此分开地向外引导。以该方式，可以根据全差分概念操控电子分析电路与传感器芯的信号。

微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案的特征在于，传感器芯的至少以部分的输出信号在惯性传感器内部联合并且以联合的方式向外引导。以该方式，实现所谓的单信号概念(英文，single ended，单端)。这通过以下方式实现：传感器信号或传感器导线在微机械惯性传感器内部已经互连并且作为单个信号向外引导到电子分析电路上。

微机械惯性传感器的另外的有利扩展方案设置为，微机械惯性传感器是加速度传感器或转速传感器。由此可以通过微机械惯性传感器有利地覆盖不同的传感应用。

附图说明

下面参照三个附图详细描述本发明的其他特征和优点。在此，相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。所述附图尤其考虑用于阐明本发明重要的原理并且不需要按照正确比例实施。出于更好的概要性原因可以设置为，并不在所有附图中画出所有附图标记。

公开的方法特征类似地由相应公开的设备特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于用于制造微机械惯性传感器的方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由相应的关于微机械惯性传感器的实施方案、特征和优点得出，反之亦然。

在附图中示出：

图1所提出的微机械惯性传感器的第一实施方式的原理性俯视图；

图2所提出的微机械惯性传感器的第二实施方式的俯视图；和

图3用于制造所提出的微机械惯性传感器的方法的原理性流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想尤其在于，提供一种微机械惯性传感器，该微机械惯性传感器相对于辐射效应(radiometrischen Effekten)是非常不敏感的。

图1示出所提出的微机械惯性传感器100的第一实施方式的原理性俯视图。

可看出例如呈电路板的形式的衬底10，在所述电路板上布置、优选焊接有第一z传感器芯20和相同的第二z传感器芯30。这两个z传感器芯20、30相对彼此扭转180°地布置在衬底10上，其中，这两个传感器芯20、30分别具有非对称构造的振动质量。在此，第一z传感器芯20的非对称的振动质量的大质量部分21a和小质量部分21b可以围绕扭转轴22扭转。第二z传感器芯30的振动质量的大质量部分31a和小质量部分31b可以围绕扭转轴32扭转。这两个z传感器芯20、30设置成用于感测它们的振动质量沿z方向的偏移。

可看出第一热流WF1的方向，该第一热流沿y方向作用在衬底10与两个z传感器芯20、30上。由于通过热流WF1引起的沿着热流WF1的方向的热梯度，所述热梯度例如通过(未示出的)电子分析电路的(未示出的)连接销的不同温度引起，这两个z传感器芯20、30的振动质量的大质量部分和小质量部分被加载以相同温度并且由此补偿。这通过以下方式实现：通过热流WF1引起的温度梯度以相同的方式涉及振动质量的大质量部分和小质量部分。

还画出第二热流WF2，该第二热流沿x方向作用到这两个z传感器芯20、30上。在该情况下，在仅单个z传感器芯20、30存在时，振动质量的小质量部分和大质量部分由于通过热流引起的温度梯度具有不同的温度，由此生成热偏移效应(“辐射效应”)，该热偏移效应产生振动质量的偏移并且由此产生单个z传感器芯20、30的不期望的测量信号。

辐射效应由于在空穴或腔中起作用的能量转移产生，振动质量在限定的气压下包围在所述空穴或腔中，由于所述能量转移在空穴内部运动的气体微粒引起力作用或振动质量的不期望的偏移。

因此提出，第二z传感器芯30相对于第一z传感器芯20扭转180°地布置在衬底1上或者在微机械过程中制成，由此补偿或至少减小上面阐释的热流WF2的不利效应。在图1中画出的两个热流WF1、WF2的方向仅示例性地看出，其中，所有热流的效应与由此引起的辐射效应可以通过根据本发明的z传感器芯20、30在衬底10上的布置补偿。

由此能够实现，由于热流的辐射效应消除或至少强烈地减小并且z传感器芯20、30的z摆杆结构的偏移仅通过机械力引起。

结果是，所提出的微机械惯性传感器100也有利地相对于衬底10的弯曲变得更不敏感，所述弯曲例如在惯性传感器100放置(例如粘接等)到衬底10上并且由此暴露于温度波动或机械应力时产生。由于热源产生的并且由此不利地影响系统的所谓的进入漂移(Einlaufdriften)、即时间信号变化也可以在所提出的微机械惯性传感器100中有利地消除或至少强烈地减小。所提到的进入漂移例如可以通过在移动终端设备(例如移动电话)中的大功率微型计算机产生，所述微型计算机根据在其上运行的应用随时间产生不同的热量，所述热量不利地影响敏感的微机械结构。

由此在结构上明显改善所提出的微机械惯性传感器100的偏移行为。

图2示出所提出的微机械惯性传感器100的另外的实施方式的俯视图。在该情况下，除了所提到的两个z传感器芯20、30之外在衬底10上还布置有或者说在微机械过程中制成呈两个相同的x传感器芯40、50(用于x通道)和两个相同的y传感器芯60、70(用于y通道)的形式的横向传感器芯。以该方式可以有利地实现用于所有笛卡尔坐标x、y、z的呈转速传感器和/或加速度传感器形式的微机械惯性传感器100。在此，所提到的附加横向传感器芯在衬底10上相对彼此的几何定向是任意的。

在图2中还可看出总共二十个连接销80a...80n，电子分析电路(例如呈ASIC的形式，未示出)通过所述连接销接合到传感器芯上并且借助于所述连接销分析处理传感器芯20、30、40、50、60、70的信号。在此，可以设置为，至少两个彼此相对应的传感器芯20、30、40、50、60、70(即x通道和/或y通道和/或z通道的传感器芯)的信号已经在微机械惯性传感器100内部互联并且在区域80a...80n中在每个传感方向x、y、z上分别例如通过仅三个连接销向外引导(英文，single ended，单端)。

替代地也可以设置为，至少两个彼此相对应的传感器芯20、30、40、50、60、70的信号分别通过一个自身的连接销80a...80n向外引导，由此实现全差分(英文，fullydifferential)的传感器原理。

在此，所应用的传感器原理的方式尤其取决于用于微机械惯性传感器100的电子分析电路的类型。

图3示出所提出的用于制造微机械惯性传感器100的方法的原理性流程图。

在步骤200中提供衬底10。

在步骤210中提供在衬底10上的分别具有可运动的非对称的振动质量21a、21b、31a、31b的至少两个相同的z传感器芯20、30，其中，可运动的非对称的振动质量21a、21b、31a、31b构造成可以分别围绕扭转轴22、32扭转，其中，这两个z传感器芯20、30相对彼此扭转180°地布置在衬底10上。

当然，步骤210的子步骤的顺序也能够以合适的方式交换。

总结而言，通过本发明提出一种微机械惯性传感器，所述微机械惯性传感器在热偏移误差和/或旋转振动偏移误差和/或衬底弯曲决定的偏移误差方面是优化的。

虽然前面已经根据具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员也可以不实现或仅实现部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。