专利名称：容性传感器和执行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种容性传感器和执行器，其具有至少一个可偏移地固定在基底上的 振荡质量，其中在该振荡质量上固定了带有梳齿的梳状电极并且在基底上固定了带有梳齿 的梳状电极，这些梳齿被布置成平行于振荡质量的偏移方向并且梳状地啮入彼此之中。
背景技术：
传感器在许多技术领域中是已知的。尤其是微机械传感器例如在汽车技术、工业 技术和医药技术中、但是还在消费电子的其他领域中尤其被用作加速度传感器、转速传感 器或者压力传感器。在此，广泛流行的尤其是容性传感器。容性传感器基于弹簧质量系统，其中例如通过出现的加速度力或压力来使振荡质 量迎着预定的复位力相对于基底偏移。在此，与振荡质量相连接的电极和固定在基底上的 电极构成电容器。通过振荡质量相对于基底的偏移并且由此通过电极彼此之间的偏移，使 得尤其是这些电极的重叠区域的大小发生变化。这些电极的运动或偏移会影响从内部形成 的电容器的电容，因为电容尤其根据这些电极的重叠区域的大小以及电极之间的间距来发 生变化。因此，容性传感器基于一个电容器或大量电容器的电容变化，该电容变化是通过 电极彼此之间的运动触发的。电容变化可以容易地以电气方式来分析并且因此使得能够计 算所出现的力，例如加速度或压力。此类装置可以同样被用作执行器。与用于检测运动的传感器不同，执行器适用于 产生静电力和调节行程。为此，在电容器上施加电压，该电压产生静电力并使电极彼此之间 运动并且因此实现电极的调节行程或者固定在电极上的部件的调节行程。使用所谓的梳状电极来构成容性传感器或执行器是已知的。这些电极是通过各个 电极的梳状地啮入彼此之中的梳齿构成的，这些梳齿形成多个平板电容器的系统。在此，平 板电容器并且因此梳状电极具有以下特性其具有非线性的特征曲线，通过电压与静电力 或偏移之间的传递函数来描述该非线性的特征曲线。为了在偏移程度方面为较小的偏移获 得较大的灵敏度或者为较大的偏移获得较小的灵敏度，可以希望具有此类非线性的特征曲 线。然而对于现有技术中的平板电容器而言，预先规定特征曲线的径迹，以使得动态范围极 大地受限。此外，通常希望获得电压与偏移之间的线性关系。为了达成该线性关系，使用差动 电容器是已知的。差动电容器基本上由两个平板电容器组成，这两个平板电容器具有共同 的中间电极。该中间电极在此处用作可移动的振荡质量。如果中间电极关于两个相邻的外 部电极移动，那么这两个电容器的电容就会如以上所描述的那样发生变化。在此，差动电容 器的特征在于，可以通过平板电容器的平行结构来实现特征曲线的线性化。然而，此类差动电容器的缺点在于，需要附加的电极，这对于微机械领域中的传感 器或执行器而言是不利的，因为仅能困难地实现必需的尺寸。

发明内容
本发明 的主题是一种容性传感器和一种容性执行器，其具有至少一个可偏移地固 定在基底上的振荡质量，其中在该振荡质量上固定了带有梳齿的梳状电极并且在该基底上 固定了带有梳齿的梳状电极，其中这些梳齿被布置成平行于该振荡质量的偏移方向并且梳 状地啮入彼此之中，其中通过优化至少一个梳状电极的几何形状尤其至少一个梳齿的几何 形状来调节该传感器的特征曲线和该执行器的特征曲线。通过优化至少一个梳状电极的，尤其是至少一个梳齿的几何形状来调节传感器的 特征曲线或执行器的特征曲线，可以藉由在梳状电极中使用经专门优化的梳齿来任意地选 择特征曲线的径迹。由此可以一方面匹配并任意扩大非线性的特征曲线的动态范围。以此 方式可以实现例如与极其不同的作用力或分析系统的匹配。另一方面，还可以实现特征曲线的通常希望的线性化。经线性化的特征曲线尤其 在根据本发明的执行器中是有利的。如果在电容器上施加电压，那么由此产生的力并且因 此偏移或调节行程会遵循线性的变化，这极大地简化了根据本发明的执行器的使用。对于根据本发明的传感器以及根据本发明的执行器而言，通过优化尤其是至少一 个梳齿的几何形状，特征曲线将因此遵循希望的传递函数。根据所要求的任务(即，线性度 的匹配或动态范围的匹配)来实现此函数的设计并且因此实现几何形状的优化。在此，可以将根据本发明的传感器和执行器的尺寸设计得非常小，以使得能够无 问题地将它们用作微机械的传感器和执行器。在本发明的一个实施方式的范围内，通过至少一个梳齿的预定的高度轮廓 (HohenprofiI)来优化至少一个梳状电极的几何形状。此实施方式可以特别准确地与相 应的任务相匹配。在此情况下特别有利的是，通过敷设绝缘物来产生该高度轮廓。因此可以使用通 用的梳齿，其设有绝缘物，以便沿着预定的高度轮廓将这些梳齿划分成对电容起作用的区 域以及对电容不起作用的区域。在此，“敷设绝缘物”是指在梳齿中通过对电容不起作用的 绝缘物来构成预定区域的各种过程。在本发明的另一个实施方式的范围内，通过至少一个梳齿的预定的长度轮廓 (Langenprofil)来优化至少一个梳状电极的几何形状。可以特别简单地实现此实施方式。在本发明的另一个实施方式的范围内，通过至少一个梳齿的预定的间距轮廓 (Abstandsprofil)来优化至少一个梳状电极的几何形状。这也能够达成非常好的结果。


通过附图来说明并且在以下描述中解释根据本发明的主题的其他优点和有利的 设计方案。在此必须注意，这些附图仅具有描述性的特性并且并不旨在以任何一种形式来 限制本发明。附图示出图1示出了根据本发明的容性传感器或执行器的一个实施方式的俯视图，图2示出了根据图1的容性传感器或执行器沿着线A-A'的截面图，图3示出了根据本发明的容性传感器或执行器的另一个实施方式的俯视图，图4示出了根据图3的容性传感器或执行器沿着线B-B'的截面图，
图5示出了根据本发明的容性传感器或执行器的另一个实施方式的俯视图。
具体实施例方式根据图1的容性传感器包括未示出的振荡质量，该振荡质量可偏移地固定在不可 移动的基底上或者例如固定在另一个可移动的质量上。该振荡质量的可偏移性可以通过用 一个或多个具有已定义的刚度的弹簧将其固定在基底上的方式来达成。此外，在该振荡质 量上固定了带有多个梳齿2的第一梳状电极1，其中在基底或另一个可移动的质量上固定 了带有多个梳齿2'的第二梳状电极1'。梳状电极1和1'的梳齿2和2'彼此平行地对 齐并且如此梳状地啮入彼此之中，以使得它们在静止状态中形成重叠区域。梳齿2和2'因 此产生电容器，其中重叠面积是对电容器的电容起作用的面积。此外，梳状电极1和1'如此固定在振荡质量或基底上并且如此对齐，以使得梳齿 2和2'平行于振荡质量的偏移方向延伸。如果例如加速度力或压力之类的力对振荡质量 起作用，那么该振荡质量就关于基底偏移，由此带有梳齿2的梳状电极1朝由双箭头3指出 的方向移动。通过梳齿2因此平行于梳齿2'的移动，由梳齿2和2'形成的重叠区域发生 变化。由此直接导致由梳齿2和2'构成的电容器的电容的变化。通过作用力引起的电容 变化可以按电气方式来分析并且由此计算该作用力。电压与该作用力或者偏移之间的传递函数描述了确定的特征曲线，该特征曲线取 决于电容器的电容并且因此取决于电极彼此之间的间距及其重叠区域。根据本发明，优化 至少一个梳齿2或2'的几何形状，优选优化多个梳齿2的几何形状，其中以下描述以不受 限的方式基本上仅涉及优化多个梳齿。通过几何形状的优化来改变电极间距或其重叠区 域，以便因此调节电容器的电容并且由此调节传递函数。以此方式，传递函数或特征曲线可 以采用希望的径迹，这意味着可电气测量的电容变化以希望的程度取决于作用力并且因此 取决于偏移。因此，可以使根据本发明的容性传感器无问题地与极其不同的任务相匹配。图2中示出了本发明的第一实施方式。根据图2，通过预定的高度轮廓4来优化梳 状电极1的，尤其是梳齿2的几何形状。通过此特定的高度轮廓4，梳齿2相对于梳齿2' 而言具有随偏移的程度变化的高度。梳状电极2的高度与其长度一样自然会影响两个梳齿 2,2'的重叠区域并且由此影响对电容起作用的面积。因此，在梳状电极发生偏移时，梳齿 2和2'的重叠面积不仅关于梳齿2、2'的长度发生变化，而且更确切地说还关于其高度发 生变化。根据本发明，通过此另外的变量可以在梳状电极1发生偏移时控制电容并且因此 如所希望的那样调节传递函数或特征曲线。因此与现有技术中已知的解决方案相比，可以极大地扩大非线性的特征曲线的动 态范围。由此可以在偏移较小时达成较高的灵敏度，与之相反，可以在偏移较大时以希望的 程度将灵敏度选择地较小。因此，可以通过根据本发明的传感器使动态范围准确地与希望 的应用领域相匹配。这不仅适用于对希望的动态范围的调节，而且更确切地说还适用于传递函数或特 征曲线的线性化。因为对于许多应用而言，希望得到容性传感器的线性的特征曲线。由于 静电力或偏移与电压的二次关系，因而可以尤其如下来实现特征曲线的线性化根据本发 明如此优化梳状电极2的高度轮廓4，以便抵消二次电压以及电容变化。由于根据本发明通 过梳齿2的基于特定的高度轮廓4变化的高度而使得电极的重叠区域并且因此起作用的面
5积以不同于相同高度的梳齿情况下的程度发生变化，因而可以通过选择该高度轮廓来补偿 二次增长。因此，通过高度轮廓4的度身定制的变化可以导致力或偏移与电压的线性关系 并且因此使特征曲线线性化。如果不优化梳齿2本身的高度而是通过敷设绝缘物来使梳齿获得对电容不起作 用的区域，那么同样可以实现上述效果。那么，通过有目的地敷设绝缘物来产生高度轮廓4， 由此同样可以实现上述效果。图3和图 4中示出了本发明的另一个实施方式。通过至少一个梳齿2或2'的预 定的长度轮廓来优化至少一个梳状电极1或1 ‘的几何形状。根据图3，如此优化三个相邻 梳齿2的长度，以使得它们关于其长度具有阶梯状的结构。这可以例如通过如下方式来实 现梳齿2的长度遵循Heaviside函数，利用该Heaviside函数可以在数学上描述梯级或阈 值。通过此长度结构的度身定制的变化，可以导致所施加的电压与静电力或偏移的线性关 系或者使特征曲线线性化。此外，如同样参照图2所描述的那样，在电极发生偏移时通过梳 齿2的特定的长度轮廓来以确定的程度改变电极的重叠区域并且因此改变对电容起作用 的面积。

在此实施方式中也可以通过敷设绝缘物来达成该长度轮廓，如已针对高度轮廓所 描述的那样。除了特征曲线的线性化之外，通过梳齿2的长度结构的匹配还可以保留特征曲线 的非线性形式并且仅以希望的方式改变动态范围。为此，必须以合适的方式选择特定的长 度轮廓。图5中示出了本发明的另一个实施方式。根据图5，并不是如图2和图3中所描述的那样通过优化重叠区域来调节电容。 更确切地说，在此实施方式中充分利用了 除了重叠区域之外，电容同样取决于电极的间距 (艮口，电极间隔)。在根据图5的实施方式中，梳齿2'在其背向梳状电极1的末端上被构造成楔形， 其中尖形的末端背向梳状电极1。在梳状电极1发生偏移时，梳状电极2和2'的间距以此 方式发生变化。因此，可以在偏移时如希望的那样调节电容的变化。因此在这种情形中，可 以通过调节间距轮廓(如同样参照图2所描述的那样)来补偿静电力相对于传感器中的电 压的二次增长。因此根据图5，可以通过间距轮廓的度身定制的变化来导致所施加的电压与 结果得到的静电力或偏移的线性关系并且使特征曲线线性化。除了特征曲线的线性化之外，通过梳齿2的间距轮廓的匹配还可以保留特征曲线 的非线性形式并且仅改变动态范围，如已描述的那样。原则上，梳齿的几何形状的优化既可以应用于梳状电极1的单个梳齿2也可以应 用于梳状电极1'的单个梳齿2'。然而更有利的是，优化多个梳齿2或2'的几何形状。 同样，既可以仅优化梳状电极1的梳齿2也可以仅优化梳状电极1'的梳齿2'，或者同时 优化梳齿2和梳齿2'。可以根据希望的任务并且根据希望的效果的强度来选择经优化的 梳齿及其数目。此外，在本发明的范围内可以仅通过高度轮廓、长度轮廓或间距轮廓来优化梳齿2 的几何形状，或者选择该几何形状优化的合适的组合。除了传感器之外，根据本发明的构思同样可应用于容性执行器，因为容性执行器是容性传感器的与换能器有关的配合件。与根据本发明的传感器相同地构造根据本发明的 容性执行器。该容性执行器包括两个带有梳齿2和2'的梳状电极1和1'，其中梳齿2和 2'以平行于偏转方向3的方式对齐并且梳状地啮入彼此之中，以使得它们在重叠区域中 构成电容器。在此，梳状电极1优选固定在可移动的质量上，与之相反，梳状电极1'固定在 固定的基底上。如果在电容器上施加电压，则产生使可偏移的电极移动的静电力。通过此偏移来 达成调节行程，该调节行程可以通过所施加的电压来控制。然而，此偏移由于静电力与电压 的二次关系而不是线性增长的。为了防止这种情况并且实现特征曲线的线性化，可以根据 本发明优化至少一个梳齿2和/或2'的几何形状，从而抵消二次电压和电容变化。此外， 可以通过优化电极的几何形状来任意地控制非线性的特征曲线的动态范围，如已描述的那 样。根据本发明，此优化是通过改变高度轮廓、长度轮廓和/或间距轮廓来实现的，如 参照根据本发明的传感器所描述的那样。
权利要求
1.一种容性传感器，其具有至少一个可偏移地固定在基底上的振荡质量，其中在所述 振荡质量上固定了带有梳齿(2)的梳状电极(1)并且在所述基底上固定了带有梳齿(2') 的梳状电极(1')，所述梳齿(2，2')被布置成平行于所述振荡质量的偏移方向(3)并且 梳状地啮入彼此之中，其特征在于，通过优化至少一个梳状电极(1，1')的几何形状尤其 至少一个梳齿(2，2')的几何形状来调节所述传感器的特征曲线。
2.根据权利要求1所述的容性传感器，其特征在于，所述至少一个梳状电极(1，1') 的几何形状是通过所述至少一个梳齿(2，2')的预定的高度轮廓(4)来优化的。
3.根据权利要求2的容性传感器，其特征在于，所述高度轮廓(4)是通过敷设绝缘物产 生的。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的容性传感器，其特征在于，所述至少一个梳状电 极(1，1')的几何形状是通过所述至少一个梳齿(2，2')的预定的长度轮廓来优化的。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的容性传感器，其特征在于，所述至少一个梳状电 极(1，1')的几何形状是通过所述至少一个梳齿(2，2')的预定的间距轮廓来优化的。
6.一种容性执行器，其具有至少一个可偏移地固定在基底上的振荡质量，其中在所述 振荡质量上固定了带有梳齿(2)的梳状电极(1)并且在所述基底上固定了带有梳齿(2') 的梳状电极(1')，所述梳齿(2，2')被布置成平行于所述振荡质量的偏移方向(3)并且 梳状地啮入彼此之中，其特征在于，通过优化至少一个梳状电极(1，1')的几何形状尤其 至少一个梳齿(2，2')的几何形状来调节所述执行器的特征曲线。
7.根据权利要求6所述的容性执行器，其特征在于，所述至少一个梳状电极(1，1') 的几何形状是通过所述至少一个梳齿(2，2')的预定的高度轮廓(4)来优化的。
8.根据权利要求7的容性执行器，其特征在于，所述高度轮廓(4)是通过敷设绝缘物产 生的。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的容性执行器，其特征在于，所述至少一个梳状电 极(1，1')的几何形状是通过所述至少一个梳齿(2，2')的预定的长度轮廓来优化的。
10.根据权利要求6到9中任一项所述的容性执行器，其特征在于，所述至少一个梳状 电极(1，1')的几何形状是通过所述至少一个梳齿(2，2')的预定的间距轮廓来优化的。
全文摘要
本发明涉及容性传感器和执行器，其具有至少一个可偏移地固定在基底上的振荡质量。在此，如此在该振荡质量上固定了带有梳齿(2)的梳状电极(1)并且在该基底上固定了带有梳齿(2′)的梳状电极(1′)，以使得梳齿(2)和(2′)被布置成平行于该振荡质量的偏移方向(3)并且梳状地啮入彼此之中。通过优化至少一个梳状电极(1，1′)的几何形状尤其至少一个梳齿(2，2′)的几何形状来调节传感器的特征曲线或执行器的特征曲线。
文档编号G01D5/24GK102003972SQ201010264988
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月26日 优先权日2009年8月27日
发明者A·布曼, A·弗兰克, M·凯克 申请人:罗伯特.博世有限公司