专利名称：用于感测加速度的微机械系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于感测加速度的微机械系统。
背景技术：
加速度传感器可以构建为微机械系统。这种传感器例如用在机动车中，在那 里，乘员保护装置(安全气囊，安全带拉紧器等)或者驾驶员辅助系统(斜坡驻车制动 助力)对加速度信号求值。一种结构类型的这种微机械加速度传感器借助摆臂式质量结 构确定垂直于基底作用的加速度。该质量结构可绕一平行于基底延伸的转动轴线相对于 基底翻转。一个扭转弹簧将质量结构保持在其平行于基底的静止位置中。质量结构的两 个相对于转动轴线彼此对置的杠杆臂具有不同的长度，使得质量结构的重心位于转动轴 线之外。如果加速度垂直于基底作用在摆臂式质量结构上，则重心逆着扭转弹簧的力偏 转，使得一个杠杆臂朝着基底翻转并且另一杠杆臂远离基底翻转。通常在基底上在质量结构下面构成电极，这些电极与质量结构一起连接成电容 器。如果电极与质量结构之间的间距改变，则电容器的电容也改变。确定该电容并基于 该电容提供加速度信号。从欧洲专利申请EP 0244581或者欧洲专利EP 0773443B1已知这类型的微机械系 统。由构造方式决定，可借助这种微机械系统接收的最大加速度局限于一个值内，该值 还使质量结构还没有偏转这样远以致杠杆臂中的一个碰到电极或者基底。比该值高的 加速度不能用该微机械系统用确定量值，使得它们在生成的加速度信号中被“削去”。 出现这种效果的最小加速度被称作为“截断加速度”。

发明内容
本发明基于这样的任务，给出一种改进的微机械系统。本发明通过一种微机械系统解决该问题。根据本发明，提出一种用于感测加速度的微机械系统，该系统包括基底；具 有第一和对置的第二杠杆臂的摆臂式质量结构，这些杠杆臂安置得与基底间隔开并且可 绕一转动轴线相对于基底翻转；和在基底上构造的第一和第二电极，其中，每个电极各 与一个杠杆臂对置，其中，每个杠杆臂包括一个从所述转动轴线延伸出的区段，所述区 段位于所述电极之间的中间空隙的上方并且两个区段具有不同的质量。本发明提出，一种具有摆臂式质量结构、用于感测加速度的微机械系统这样构 造，使得在该质量结构的杠杆臂的端部上构成电容器，借助这些电容器确定摆臂式质量 结构的偏转，并且，电容器与转动轴线之间的两个杠杆臂的区段具有不同的质量。以这 样的方式，两个杠杆臂可以具有相同的长度，使得在两个方向上的截断加速度大小相同 并且偏置误差减小，在传统的微机械系统中由于质量元件的不对称设计引起偏置误差。与传统的微机械摆臂结构相比，用于感测加速度a的电容器设置得更远离转动轴 线。由此，直至达到截断的电容器电极最大可能间距变化以及由此每个电容器的相对电容变化AC/C比传统的摆臂结构大。因此，在按相同的传感敏感度AC/Ca设计微机械 系统时有利地提高了截断加速度，典型地提高两倍。两个区段的不同质量可以以单侧减轻的形式作为留空或者凹陷、通过在一侧构 造呈附加质量形式的附加重量或者通过组合两种可能性而引起。这样，质量差异的产生 能够与边缘条件、如制造要求协调。在基底与质量结构之间的区域中可以在基底上构造一附加电极，以防止位于下 面的结构受到所述质量结构的静电影响。为此该附加电极可以具有质量结构的电势。尽 管如此，附加电极或者质量结构上的寄生表面电荷可以被捕获(收集)，由此产生附加电 极与质量结构之间的静电引力，这些静电引力可以导致质量结构翻转并且由此导致偏置 误差。通过将附加电极布置在转动轴线的区域中替代布置在一杠杆臂的外端部上，这些 力导致质量结构的翻转减小一半。该质量结构可以在其朝向基底的一侧承载一覆盖层，该覆盖层在转动轴线两侧 提供与附加电极相同大小的表面。所提及的通过寄生表面电荷引起的静电力可以借助覆 盖层这样分布到两个杠杆臂上使得静电力相互抵消并且不出现质量结构的单侧偏转。与已知的这类型微机械系统相反，该系统可以包括三个功能层以替代两个功能 层，其中，第一功能层包括电极，第二功能层包括覆盖层，第三功能层包括质量结构。 该系统可以仅略微费事地制造。


下面参考附图更详细地描述本发明，附图中示出图1 一微机械系统；图2图1的微机械系统的俯视图；以及图3图1的微机械系统的一个实施例的等轴分解视图。
具体实施例方式图1示出呈用于感测加速度的加速度传感器形式的微机械系统100。坐标系给 出了 X，y和ζ方向。第一电极110、第二电极115和第三电极120彼此相邻地安置在基 底105上。质量结构125在不偏转的状态下平行于基底105的表面定向，该质量结构125 包括第一杠杆臂130和第二杠杆臂135。该质量结构125安置得可绕转动轴线140相对 于基底105翻转，使得第一电极110位于第一杠杆臂130的端部区段下面、第二电极115 位于第二杠杆臂135的端部区段下面并且第三电极120位于第一电极110与第二电极115 之间、固定结构170的区域中。一(看不到的)扭转弹簧阻止质量结构125相对于基底 105翻转。质量结构125的重心145在转动轴线140之外位于第二杠杆臂135上。第一杠 杆臂130从转动轴线140起具有长度11并且在质量结构125处于静止位置时位于第一电 极110上方间距dl处。第二杠杆臂135具有长度12并且位于第二电极115上方间距d2 处。质量结构125的重心145在转动轴线140之外位于第二杠杆臂135上。质量结构125与第一电极110形成第一电容器150并且与第二电极115形成第二 电容器155。第一杠杆臂130包括第一区段160，该第一区段从转动轴线140—直延伸至第一杠杆臂的与第一电极110对置的区域。与该第一区段相对应的第二区段165关于转 动轴线140镜像对称地位于第二杠杆臂135上。区段160和165相对于转动轴线140具 有相同的横向尺寸并且从转动轴线140延伸至杠杆臂130和135的与第一电极110或第二 电极115对置的区域。因此，电容器150和155以到转动轴线140相同的间距构造。质 量结构125借助固定机构170固定在基底105上或者第三电极120上。在此，固定结构 170可以与基底105材料锁合地构造。如果微机械系统100向上(在正ζ方向上)加速，则质量结构125沿顺时针方向 绕转动轴线140翻转，其方式是，间距d2减小并且间距dl增大。电容器150和155相 对于转动轴线140具有相应的几何伸展尺度，因此，第二电容器155的电容增大了量值 Δ C，同时，第一电容器150的电容减小了该量值。因此，电容器150和155可以根据差 动电容器的类型连接并且量值AC可以用AC/C方法确定。如果微机械系统100向下(在负ζ方向上)加速，则质量结构125以相应的方式 沿逆时针方向绕转动轴线140翻转。基于微机械系统100的对称设计，特别是杠杆臂130 和135的彼此一致的长度11和12，最大可确定的加速度(截断加速度)在ζ轴的正方向 和负方向上在量值上大小相等。这样，避免了基于电容器150和155的改变了的电容来 确定的加速度信号的、有关加速度符号方面的不对称。没有示出用于确定电容器150和155的电容变化的外部电路。这种电路例如可 以包括同样安置在基底105上的专用集成电路(ASIC)。与常规的微机械相比，在微机械系统100中，电容器150和155位于引起重心不 对称的区段160和165之外。因此，重心145与转动轴线140之间的间距比在传统的微机 械系统中小，使得在给定加速度的情况下质量结构125的偏转比在传统的微机械系统中 小。虽然由此质量结构125的翻转角度也较小，但是借助系统100确定加速度的精度近 似或者完全一样好，这是因为，由于有效杠杆臂更长，质量结构125在电容器150和155 的区域中的偏转比在传统的摆臂结构情况下更大，因此间距dl和d2的变化更大，由此电 容器150和155的电容变化也更大。图2示出图1的微机械系统100的质量结构125的俯视图200。坐标系给出了 X，y和Z方向。杠杆臂130和135从转动轴线140向外延伸并且具有彼此一致的长度11 和12。第一杠杆臂130具有第一留空210并且第二杠杆臂135具有第二留空220。留空 210和220限界扭转弹簧240，该扭转弹簧将质量结构125与固定结构170连接并且阻止 质量结构125的从其平行于基底105的静止位置中翻转出来。此外，质量结构125以规 则的间距被穿孔留空230穿通。图2中示出的第一种、即区段165的质量设计得区段160的质量更大的可能性在 于，留空210的面积上比留空220尺寸更大。在此，留空210和220可以在χ方向上不同 大小并且在y方向相同大小，如图2中所示。同样在图2中示出的第二种可能性在于， 将第二区段165中存在的穿孔留空230填充或者开始就完全不设置并且保持第一区段160 中的穿孔留空。在这两种可能性中产生具有一样长的杠杆臂130和135的质量结构125， 该质量结构的(没有示出的)重心处于转动轴线140之外、第二杠杆臂135上。图3示出图1的微机械系统100的一个实施例的等轴分解视图300。三维坐标系 给出了 X，y和ζ方向。没有示出固定结构170在第三电极120或者基底105中的固定。
质量结构125总的来说如在图2中示出的那样成型，但第二区段165中的穿孔留 空230不是如图2中那样被填充。此外，质量结构125在其整个下侧面承载覆盖层310， 该覆盖层具有穿孔，这些穿孔与质量结构125的穿孔留空230相对应并且覆盖留空210、 220。该覆盖层310在转动轴线140的两侧具有相同大小的、与基底105上的第三电极 120对置的面积。当第三电极120与覆盖层310导电地相互连接时，也会在覆盖层310与 第三电极120之间由于寄生的(截集的)表面电荷而形成静电引力，这些静电引力在翻转 轴线140的两侧具有相同的量值和相同的方向，使得静电引力相互抵消。该微机械系统可以呈多个在基底105上沉积的层的形式实现。三个电极110、 115和120是与基底105连接的第一功能层320的部分。覆盖层310形成第二功能层330， 该第二功能层在其上侧与第三功能层340连接，该第三功能层包括质量结构125。在制造 过程中，该三个层320、330和340可以相互固定以及第一功能层320直接地或者借助单 独的牺牲层(没有示出)固定在基底105上，该牺牲层在制造过程中部分地或者完全地被 去除。尤其在第一功能层320与第二功能层330之间需要一个这样的牺牲层，以便能够 在除去牺牲层后允许质量结构125在制成的微机械系统中运动。在另一实施方式中，留空210也可以构造成质量结构125中的不穿透层340的凹 陷的形式。覆盖层310则可以与质量结构125构造为同一功能层330、340的区段。穿 孔留空230用于支持微机械系统100的制造过程，其方式是，它们允许蚀刻介质流动，以 便去除牺牲层的或者功能层320至340的一些区段。对于本发明，穿孔留空230不是原 则上必需的。
权利要求
1.用于感测加速度的微机械系统(100)，包括基底(105)；具有第一和对置的第二杠杆臂(130，135)的摆臂式质量结构(125)，这些杠杆臂安 置得与基底(105)间隔开并且可绕一转动轴线(14)相对于基底(105)翻转；和在基底(105)上构造的第一和第二电极(110，115)，其中，每个电极各与一个杠杆 臂(130，135)对置；其特征在于，每个杠杆臂(130，135)包括一个从所述转动轴线(140)延伸出的区段(160，165)， 所述区段位于所述电极(110，115)之间的中间空隙的上方并且两个区段(160，165)具有 不同的质量。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述区段(160，165)中的一个比所述区段 (160，165)中的另一个具有更大的留空(210，220)。
3.根据权利要求1或2的系统，其特征在于，所述区段(160，165)中的一个包括一 附加质量。
4.根据前述权利要求之一的系统，其特征在于，两个所述杠杆臂(130，135)自转动 轴线(140)延伸相同远。
5.根据前述权利要求之一的系统，其特征在于，在所述电极(110，115)之间的中间 空隙中在基底(105)上设置有一附加电极(120)。
6.根据权利要求5的系统，其特征在于，所述质量结构(125)在朝向基底(105)的下 侧面具有一覆盖层(310)，该覆盖层关于转动轴线(140)镜像对称地构造。
7.根据权利要求6的系统，其特征在于，设置有三个功能层(320，330,340),其 中，电极(110，115)是第一功能层(320)的部分，覆盖层(310)是第二功能层(330)的 部分并且质量结构(125)是第三功能层(340)的部分。
8.根据前述权利要求之一的系统，其特征在于，所述质量结构(125)与基底(105)通 过一固定结构(170)连接，其中，该固定结构(170)包括一扭转弹簧(240)，该扭转弹簧 抵抗质量结构(125)相对于基底(105)的翻转。
9.根据权利要求8的系统，其特征在于，所述固定结构(170)与基底(105)连接。
全文摘要
一种用于感测加速度的微机械系统，包括基底，具有第一和对置的第二杠杆臂的摆臂式质量结构以及在基底上构造的第一和第二电极，这些杠杆臂设置得与基底间隔开并且可绕一转动轴线翻转，其中，每一个电极与一个杠杆臂对置，并且，每个杠杆臂包括一个从转动轴线延伸出的区段，所述区段位于电极之间的中间空隙的上方，两个区段具有不同的质量。
文档编号G01P15/125GK102012436SQ20101028227
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者J·克拉森 申请人:罗伯特·博世有限公司