专利名称：用于测量加速度，压力或类似量的微机械的装置以及相应的方法
用于测量加速度，压力或类似量的微机械的装置以及相应的方法本发明涉及一种用于测量加速度，压力或类似量的微机械的装置以及一种相应的方法和一种相应的用途。
现有技术加速度传感器被应用于多种领域。因此它们例如近来常常被应用于移动电话中，以识别移动电话的位置改变。如果移动电话例如在一个平面中被使用者转动，以便能够不是纵向地而是横向地使用通常为矩形的显示器，那么这通过相应的加速度传感器来识别并且传递给移动电话的运行系统。运行系统然后依据由加速度传感器测量的加速度来计算移动电话的改变的位置并且通过相应地转动屏幕内容而将屏幕内容与计算的新的位置相匹配，从而使用者可以以希望的方式也横向地利用移动电话的屏幕内容。除此之外，加速度传感器也被应用于硬盘中，以避免损坏硬盘。例如,如果在将硬盘安装到计算机中时硬盘被使用者无意地掉落，加速度传感器则进行识别。加速度传感器然后测量硬盘的自由下落并且硬盘使硬盘的写/读头防备性地移动到一个可靠的驻停位置上，从而当硬盘撞到地面上时，在通常出现的下落高度情况下不发生由写/读头对硬盘造成的损坏。加速度在此情况下例如可以借助于电容的改变来确定。为此将相互插入对方中的指状电极在一个公共的平面中布置在惯性质量(地震震动质量块)处和在基底处。在此情况下，惯性质量可相对于基底运动地进行支承。惯性质量的指状电极和基底的对应的指状电极在相应的电极之间形成电容。依据该电容的变化，现在可以测量惯性质量在指状电极的该平面中在X方向上或y方向上的相应的偏移和由此确定作用于惯性质量上的力，加速度，压力等等。由US2005/0092107A1已知一种用于测量在二维上的加速度的装置，其中，在第三维上的偏移被补偿。在X方向上和/或y方向上的加速度的测量此时借助于惯性质量和衬底的相互插入对方中的指状电极来进行。为了补偿垂直于χ-y平面作用于惯性质量上的加速度或力，衬底的指状电极可垂直于χ-y平面运动地进行布置。如果现在惯性质量经受到具有垂直于χ-y平面的分量的力，那么惯性质量相应地被在z方向上移动，即垂直于x-y平面地移动。衬底的可运动地布置的指状电极通过在z方向上作用的力被相应地转动。总体上，在惯性质量的指状电极和衬底的指状电极之间的电容由于衬底的也偏移的指状电极而由此没有改变。因此在z方向上作用的力分量被补偿。为了能够测量垂直于x-y平面的加速度，申请人从另外的参考文献中获知，将惯性质量设计成摇杆(平衡杆)(Wippe)。然后在惯性质量处可以在惯性质量的一侧处与x-y平面平行地布置一个附加的电极和在衬底处与x-y平面垂直地和相间隔地相应地也布置一个附加的电极，从而这些电极形成一个电容，该电容在惯性质量垂直于χ-y平面偏移情况下是改变的。然后依据该改变确定相应的垂直于χ-y平面的加速度。但是这要求衬底和惯性质量的复杂的结构并且提高了相应的加速度传感器的成本。
本发明的公开
在权利要求1中限定的用于测量加速度，压力或类似量的微机械装置包括具有至少一个固定的电极的衬底，可运动地布置在衬底处的惯性质量，布置在惯性质量处的至少一个接地电极，其中，固定的电极和接地电极被设计在一个测量平面中，用于在该测量平面中测量加速度，压力或类似量，和其中，固定的电极和接地电极被设计用于测量垂直于测量平面地作用于惯性质量上的加速度，压力或类似量。在权利要求9中限定的用于测量加速度，压力或类似量的方法，其尤其适合于用按照权利要求1至7中至少一项所述的装置来实施，包括步骤:在衬底处布置至少一个固定的电极和在可运动地布置在衬底处的惯性质量处布置至少一个接地电极，其中，固定的电极和接地电极共同作用，以在测量平面中测量加速度，压力，或类似量，将外力垂直于测量平面地作用于惯性质量上，基于外力使惯性质量在垂直于测量平面的方向上偏移(偏转)，测量在至少一个接地电极和至少一个固定的电极之间的电容的改变，以及借助于测量的电容的改变确定加速度，压力或类似量。在权利要求10中限定了按照权利要求1至8中至少一项所述的用于测量加速度，和/或压力的装置的一种用途。本发明的优点
在权利要求1中限定的用于测量加速度，压力或类似量的微机械的装置以及在权利要求8中限定的相应的方法具有优点，即由此可以以简单的方式将已经布置的、测量在Χ-y平面中的加速度或压力的电极也用于测量在垂直于x-y平面的方向上的加速度，压力或类似量。测量在Z方向上，即在垂直于X-y平面的方向上的加速度的附加的电极由此被取消。同时该装置可以简单地制造以及该方法可以简单地实施，因为附加的电极在衬底处和在惯性质量处的复杂的布置以及衬底在z方向上的成形(Ausformung)也可以完全取消。本发明的其它的特征和优点在以下的从属权利要求中说明。按照一个有利的改进方案，惯性质量设计成可围绕旋转轴转动，其中，旋转轴布置在测量平面中。由此实现的优点是，由此一方面可以取消惯性质量向初始层的复杂的返回，因为可以在中央处设置相应的机构。另一方面由此也提供垂直于测量平面的偏移(偏转)的简单的可能性。按照另一个有利的改进方案，固定的电极和接地电极设计成在固定的电极和接地电极之间形成至少两个电容。实现的优点在于，由此可以以可靠的方式确定垂直于χ-y平面的偏移的方向:在一种相应的偏移期间，第一电容的数值减小，相反，第二电容的数值增大。如果在相反的方向上偏移，第一电容的数值增大，相反，第二电容的数值增大。按照本发明的另一个有利的改进方案，固定的电极包括至少两个金属的第一区域和接地电极包括至少一个金属的第二区域，其中，第一和第二金属的区域共同作用以形成至少两个电容。由此以简单并且成本有利的方式实现形成两个电容，用于探测惯性质量垂直于测量平面的偏移的方向。如果第一和/或第二金属的区域在垂直于测量平面的方向上相互上下地布置在对应的电极处，那么可以更可靠地进行力，加速度，压力或类似量的测量以及同时可以确定垂直于x_y平面的偏移的方向。按照本发明的另一个有利的改进方案，在惯性质量的关于旋转轴相互相对的侧面上各至少一个接地电极布置在惯性质量处和各至少一个固定的电极布置在衬底处。以这种方式进一步提高压力，加速度或类似量的测量的可靠性，因为现在不同的侧面上具有多个电极供测量在Z方向上的偏移使用。按照本发明的另一个有利的改进方案，第一固定的电极的各上部的第一区域与第二固定的电极的各下部的第一区域连接，以测量加速度，压力或类似量。这种布置实现了装置的横向敏感性的显著减小。如果惯性质量在z方向上被偏移，如果它是可围绕一个中央轴线转动地支承，那么该惯性质量将经历在旋转轴的一侧上的一个正的偏移和在旋转轴的另一侧上的一个相应的负的垂直于测量平面的偏移。然后可以确定该正的和负的偏移并且借助于形成相应的测量的电容变化的差来消除可能的干扰影响。按照本发明的另一个有利的改进方案，第一和/或第二金属的区域各包括至少两个相互上下布置的金属层，它们电气地相互连接起来，尤其是借助于金属化通孔。在此优点是，由此可以使用常规的CMOS制造方法，其可以一方面成本有利地和另一方面可靠地提供相应的金属的区域或金属层。按照本发明的另一个有利的改进方案，固定的电极和/或接地电极包括至少一个被分离的，尤其是介电的(绝缘的)，层。该实现的优点此时在于，由此可以以简单的和成本有利的方式制造电极并且同时不仅将金属的区域相互绝缘(隔绝)而且将形成金属的区域的金属层相互绝缘(隔绝)。附图简述
本发明的其它的特征和优点由以下对实施例的说明中得出。在此

图1显示了按照本发明的一个实施方式的装置的固定的电极和接地电极；
图2以在X-y平面上的俯视图显示了按照图1的实施方式的装置的一个示意 图3显示了按照图1的实施方式的装置的固定的电极和接地电极，以及 图4显示了按照本发明的一个实施方式的方法的步骤。本发明的实施方式
图1显示了按照本发明的一个实施方式的装置的固定的电极和接地电极。在图1中，附图标记I表示一个固定的电极，它布置在衬底S(在图1没有示出)处。固定的电极I基本上设计成指状电极并且在图1中以横截面图示出。在固定的电极I的端部区域中，该固定的电极具有相互上下布置的电介质5的层5a_5e。图1中示出了五个层5a_5e。按照图1从下向上的第一层5a只包括电介质5。布置在第一层5a上方的第二层5b此时在下部区域中在固定的电极I的对称轴线M的左边和右边包括金属层12b，该金属层经由金属化通孔13与相邻的第三层5c的金属层12a连接。具有金属层12a，12b和金属化通孔13的这种金属层结构不仅布置在固定的电极I的左边缘的区域中而且布置在其右边缘的区域中并且相对于对称轴线M对称地布置。如前所述，第三层5c只包括下部的金属层12a。在第三层5c上堆叠另外的层5d，5e，它们在结构上基本上对应于第一和第二层5a, 5b。这样,在固定的电极I处分别在对称轴线M的左边和右边布置一个上部的第一金属的区域3a和一个下部的第一金属的区域4a，各包括两个金属层12a，12b，它们借助于至少一个金属化通孔13被连接起来。在图1中右边现在以横截面图示出了接地电极2，它布置在惯性质量10(在图1中没有示出)处。该接地电极也设计成指状电极2a。惯性质量10和由此接地电极2在此情况下相对于固定的电极I在按照图1的方向R上可以沿着垂直方向运动地布置。接地电极2的结构基本上对应于按照图1的固定的电极I的结构。但是，与固定的电极I不同，只有两个金属层12a，12b布置在第三或第四层5c，5d中。它们也经由金属化通孔13被相互连接。这样通过两个金属层12a，12b和将它们连接起来的金属化通孔13形成一个第二金属的区域6。在接地电极2的第二金属的区域6和固定的电极I的两个第一金属的区域3a，4a之间形成两个电容C1,C2:第一电容C1在上部的金属的第一区域3a和第二金属的区域6之间形成，第二电容C2在下部的第一金属的区域4a和接地电极2的第二金属的区域6之间形成。如图1中所示，如果现在使接地电极2在方向R上向上相对于固定的电极I移动或偏移(偏转)，那么由于在固定的电极I的上部的第一金属的区域3a和接地电极2的第二金属的区域6之间的间距变小，则电容C1增大，相反，固定的电极I的下部的第一金属的区域4a和接地电极2的第二金属的区域6之间的间距变大，电容C2减小。在一个初始层中这样地布置固定的电极I和接地电极2，即对应的电容C1和C2是相等的=C1=Cy如前所述，不仅固定的电极I和/或接地电极2包括相互上下布置的层5a_5e。这种由层5a_5e构成的堆例如可以通过分离各单独的层5a_5e被依次地和前后相继地制造。此外，固定的电极I和/或接地电极2也可以包括一个半导体载体的区域，例如硅。图2以在x-y平面上的俯视图显示了图1的实施方式的装置的一个示意图。在图2中，附图标记S表示一个衬底，在该衬底上布置固定的电极I的多个电极指la。在各个电极指Ia之间插入接地电极2的相应的电极指2a，后者按照图2在左侧布置在用于惯性质量10的外壳9处。在外壳9的按照图2的右侧上布置相应的电极指2b，它们啮合到衬底S的电极指Ib中。各相邻的电极指la，2a或Ib，2b在此情况下分别形成相应的电容C1 - C4，在电极指la, Ib或2a，2b相互相对运动期间这些电容的改变被用于测量作用于惯性质量10上的力，加速度等等。用于惯性质量10的外壳9此时围绕旋转轴11可转动地进行安装，其中，旋转轴布置在x-y测量平面E中和衬底S上。惯性质量10此时在外壳9中和/或相对于旋转轴11非对称地布置。外壳9在按照图1的右侧上具有惯性质量10，相反在左侧上在外壳9中不布置惯性质量。此外布置有扭转弹簧形式的复位机构15，以便必要时使惯性质量10从垂直于x-y测量平面的偏移中再返回到其初始层中。图3显示了按照图1的实施方式的装置的固定的电极和接地电极。图3中以示意的形式示出了固定的电极指Ia和Ib以及接地电极指2a，2b的第一和第二金属的区域3a，3b，4a，4b，6a，6b的连接线路V1，V2，V1,。图3中，固定的电极la，接地电极2a，接地电极2b和固定的电极Ib从左向右地布置。固定的电极Ib此时具有与在图1中描述的结构相应的结构，也就是说具有电极Ia的右侧上的上部的第一金属的区域3a和下部的第一金属的区域4a。与此相应地，固定的电极Ib在其左侧上，即在其与第二接地电极2b面对的一侧上，具有上部的第一金属的区域3b和下部的第一金属的区域4b。为了评价电容C1 - C4的电容改变的差，分别将固定的电极Ia的上部的第一金属的区域3a，3b与相对置的固定的电极Ib的对应的下部的第一金属的区域4a，4b连接起来。这种连接线路在图3中以虚线示出和用附图标记VjPV1，表示。接地电极2a，2b的第二金属的区域6a和6b也被相互连接起来，这通过图3中的虚线V2示出。这样，可以实现对对应的电容C1 - C4的改变的差的评价。如果有外力作用于惯性质量10上，那么接地电极2a例如向上移动并且对应地接地电极2b向下移动。在此情况下，电容C1增大并且电容C4也增大，因为在第一和第二金属的区域3a，4b，6之间的相应的间距变小。同时，电容C2和C3变小，因为在相应的第一和第二金属的区域3b，4a，6之间的间距增大。通过连接线路V1, Vr, V2，可以实现在增大的电容C1, C4之间和在减小的电容C2,，C3之间的差的形成；这提高了测量精度。固定的电极I和接地电极2的电介质层5a_5e的相应的厚度最大为10 μ m,最好小于5 μ m,有利地在I至2 μ m之间。第一和第二金属的区域3a, 3b, 4a, 4b具有基本上小于
2.5 μ m的厚度，最好小于1.5 μ m，尤其是在0.5和I μ m之间。在固定的电极I和接地电极
2之间的间距G为小于5 μ m,最好在I至3 μ m之间。金属的区域3a, 3b, 4a, 4b在垂直于按照图1的图面方向上具有`在ΙΟμ 和500μπ 之间，最好在50μπ 和200μπ 之间的延伸范围。电介质层5和金属的区域3a, 3b, 4a, 4b, 6的总高度H为在3至10 μ m之间，最好在4至8 μ m之间。图4显示了按照本发明的一个实施方式的方法的步骤。用于测量加速度，压力或类似量的方法，其尤其是适合于利用按照权利要求1至7中至少一项所述的装置来实施，按照图4包括步骤:S1:在衬底S处布置至少一个固定的电极I和在可运动地布置在衬底S处的惯性质量10处布置至少一个接地电极2，其中，固定的电极I和接地电极2共同作用，以在测量平面E中测量加速度，压力，或类似量，S2，垂直于测量平面E地将外力作用于惯性质量上，S3，基于外力的作用，使惯性质量10在垂直于测量平面E的方向R上偏移，S4,测量在至少一个接地电极2，和至少一个固定的电极I之间的电容C1, C2的改变，以及S5，借助于测量的电容C1, C2的改变确定加速度，压力或类似量。尽管上面是借助于优选实施例来说明本发明的，但是本发明不限于此，而是可以以多种方式进行修改。
权利要求
1.用于测量加速度，压力或类似量的微机械的装置，包括 具有至少一个固定的电极(I)的衬底(S)， 可运动地布置在衬底(I)处的惯性质量(10)， 布置在惯性质量(10)处的至少一个接地电极(2)，其中， 固定的电极(I)和接地电极(2)被设计在一个测量平面(E)中，用于测量在该测量平面(E)中的加速度，压力或类似量，和其中， 固定的电极(I)和接地电极(2)被设计用于测量垂直于测量平面(E)地作用于惯性质量(10)上的加速度，压力或类似量。
2.按照权利要求1所述的微机械的装置，其中， 惯性质量(10)设计成可围绕一个旋转轴(11)转动，其中，旋转轴(11)布置在测量平面(E)中。
3.按照权利要求1-2中至少一项所述的微机械的装置，其中， 固定的电极⑴和接地电极⑵设计成用于在固定的电极和接地电极(1，2)之间形成至少两个电容(CnC2)15
4.按照至少权利要求3所述的微机械的装置，其中， 固定的电极⑴包括至少两个金属的第一区域(3a，3b，4a，4b)和接地电极(2)包括至少一个金属的第二区域 (6,6a, 6b),其中，第一和第二区域(3a, 3b, 4a, 4b, 6,6a, 6b)共同作用以形成至少两个电容(C1, C2)。
5.按照权利要求1-4中至少一项所述的微机械的装置，其中， 在惯性质量(10)的关于旋转轴(11)相对置的侧面上，各至少一个接地电极(2a，2b)被布置在惯性质量(10)处和各至少一个固定的电极(la，lb)被布置在衬底(S)处。
6.按照权利要求1-5中至少一项所述的微机械的装置，其中， 一个固定的电极(2a，2b)的各上部的第一金属的区域(3a，3b)被与另一个固定的电极(2a, 2b)的各下部的第一金属的区域(4a，4b)连接，以测量加速度，压力或类似量。
7.按照权利要求1-6中至少一项所述的微机械的装置，其中， 第一和/或第二金属的区域(3a，3b，4a，4b，6，6a，6b)各包括至少两个相互上下布置的金属层(12a，12b)，它们被相互电气地连接起来，尤其是借助于金属化通孔(13)。
8.按照权利要求1-7中至少一项所述的微机械的装置，其中， 固定的电极(I)和/或接地电极(2)包括至少一个分离的，尤其是介电的，层(5a，5b，5c,5d,5e)。
9.用于测量加速度，压力或类似量的方法，其尤其适用于利用按照权利要求1-7中至少一项所述的微机械的装置来实施，包括步骤: (51)在衬底(S)处布置至少一个固定的电极(I)和在可运动地布置在衬底(S)处的惯性质量(10)处布置至少一个接地电极(2)，其中，固定的电极(I)和接地电极(2)共同作用，以测量在测量平面(E)中的加速度，压力，或类似量， (52)将外力垂直于测量平面(E)地作用于惯性质量(10 )上， (53)基于外力使惯性质量(10)在垂直于测量平面(E)的方向(R)上偏移， (54)测量在至少一个接地电极(2)，和至少一个固定的电极(I)之间的电容(C1,C2)的改变，以及(S5)借助于测 量的电容(C1, C2)的改变确定加速度，压力或类似量。
10.按照权利要求1-7中至少一项所述的微机械的装置的用途，其用于测量加速度和/或压力。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量加速度，压力或类似量的微机械的装置。它包括具有至少一个固定的电极的衬底，可运动地布置在衬底处的惯性质量，布置在惯性质量处的至少一个接地电极，和用于将惯性质量返回到初始位置的复位机构，其中，固定的电极和接地电极被设计在一个测量平面中，用于测量在该测量平面中的加速度，压力或类似量，和其中，固定的电极和接地电极被设计用于测量垂直于测量平面地作用于惯性质量上的加速度，压力或类似量。本发明也涉及一种相应的方法和一种相应的用途。
文档编号G01P15/125GK103154746SQ201180050620
公开日2013年6月12日 申请日期2011年9月19日 优先权日2010年10月20日
发明者A.费伊, C.莱嫩巴赫, A.弗兰克, G.奥布赖恩 申请人:罗伯特·博世有限公司