微機械傳感器和用于制造微機械傳感器的方法
【專利摘要】本發明提出一種微機械傳感器，其包括具有主延伸平面的襯底和通過扭轉單元與襯底連接的擺桿結構，扭轉單元主要沿扭轉軸線延伸，扭轉軸線基本上平行于襯底的主延伸平面地設置，擺桿結構由靜止位置繞扭轉軸線可擺動到偏轉位置中并且相對于扭轉軸線具有非對稱的質量分布，微機械傳感器具有阻尼結構，阻尼結構配置用于阻尼擺桿結構沿與襯底的主延伸平面基本上平行的X方向的平移運動，和/或扭轉單元具有第一扭轉元件和與第一扭轉元件連接的第二扭轉元件，微機械傳感器如此配置，使得擺桿結構繞扭轉軸線的扭轉模式的第一共振頻率小于擺桿結構的振動模式的第二共振頻率，振動模式包括擺桿結構沿與主延伸平面基本上平行的振動平面的振動運動。
【專利說明】微機械傳感器和用于制造微機械傳感器的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及根據權利要求1的前序部分所述的微機械傳感器。
【背景技術】
[0002]總所周知這樣的微機械傳感器。例如用于測量加速度的現代微機械傳感器具有設置在襯底上的由硅(傳感器芯)制成的微機械結構和分析處理電子裝置。配置用于探測沿與襯底的主延伸平面正交的Z方向定向的加速度的微機械傳感器典型地稱為Z傳感器。這樣的Z傳感器的傳感器芯尤其具有可運動的擺桿結構，該擺桿結構繞與主延伸平面平行的扭轉軸線從靜止位置可擺動到偏轉位置中。
【發明內容】
[0003]本發明的任務是提供一種改進的微機械傳感器，其相對于從外部施加的干擾相對較不敏感。
[0004]根據并列的權利要求的按照本發明的微機械傳感器和按照本發明的用于制造微機械傳感器的方法相對于現有技術具有的優點在于，微機械傳感器相對于干擾性的機械振蕩相對較穩健。由此有利地可能的是，將該傳感器尤其應用在發動機驅動的裝置例如機動車的發動機室中，因為在此微機械傳感器相對于通過發動機運行產生的振蕩相對較穩健。優選地，微機械傳感器——其隨后也簡單地稱為傳感器——具有包括扭轉單元的彈簧裝置，其中，彈簧裝置、尤其彈簧裝置的扭轉單元如此配置，使得扭轉模式的第一共振頻率小于擺桿結構的振動模式的第二共振頻率，其中，振動模式包括擺桿結構沿振動平面的一個或多個振動運動。由此有利地實現了干擾模式一例如干擾性的機械振蕩一的激勵頻率與擺桿結構的第一共振頻率的分離，其中，擺桿結構相對于平行于襯底的主延伸平面的加速度仍然是相對較不敏感的。通過傳感器的相對較好的不敏感性有利地盡可能地避免了擺桿結構的由這樣的外部干擾或平行于主延伸平面定向的加速度引起的從振動平面偏轉出來，也就是說擺桿結構具有相對較小的橫向敏感性。此外，通過按照本發明的阻尼結構尤其附加地相對好地阻尼擺桿結構沿振動平面的運動。
[0005]本發明有利的構型和擴展方案可由從屬權利要求、以及參照附圖的說明書得出。
[0006]按照一個優選的擴展方案設置，
[0007]-所述振動運動包括擺桿結構沿X方向的平移運動，其中，X方向基本上垂直于扭轉軸線地設置；和/或
[0008]-所述振動運動包括擺桿結構繞與Z方向基本上平行的軸線的轉動運動。
[0009]由此有利地可能的是，以簡單和有效的方式阻尼多個不同的振動運動，從而微機械傳感器相對于從外部施加的干擾是比較不敏感的。
[0010]按照另一優選的擴展方案設置，扭轉單元包括由扭轉單元的一個端部到另一個端部沿扭轉軸線延伸的扭轉單元長度，
[0011]-其中，扭轉單元長度為小于擺桿結構的沿扭轉軸線延伸的擺桿寬度的二分之一、優選小于其三分之一、特別優選地小于其四分之一、完全特別優選地小于其五分之一；和/或
[0012]-其中，第一扭轉元件沿著第一主延伸方向具有扭轉單元長度，其中，第二扭轉元件沿著第二主延伸方向具有扭轉單元長度，其中，第一和第二扭轉元件經由兩個或更多個連接元件尤其僅僅間接地相互連接，其中，兩個或更多個連接元件沿著Y方向相互間隔開。
[0013]由此有利地可能的是，通過扭轉單元的和/或另一扭轉單元的明顯縮短以及第一和/或第二扭轉元件結構寬度的相應匹配，如此提高關于沿著扭轉單元的和/或另一扭轉單元的振動平面的振動運動的彈簧剛性(所謂的平面內剛性)，從而擺桿結構的第二共振頻率或固有頻率相對于第一共振頻率超比例地提高。此外，在此以有利的方式第一共振頻率基本上保持不變，從而尤其擺桿結構的機械敏感性或橫向敏感性相對較小。由此實現了，通過干擾性的振蕩典型地激勵擺桿結構進行沿著振動平面以第二頻率的振動運動，所述第二頻率顯著不同于扭轉模式的第一頻率。這樣的干擾傳感器運行的振蕩大多是低頻的，也就是尤其在2000Hz與10000Hz之間，其中，第二共振頻率優選大于10000Hz。由此有利地實現了，扭轉模式的幅度位于在對于相應的應用目的相對較有利的范圍中，也就是例如基本上避免擺桿結構的碰撞。
[0014]按照另一優選的擴展方案設置，擺桿結構具有主要沿扭轉軸線延伸的另一扭轉單元，其中，扭轉單元和另一扭轉單元分別在相互背向的端部上連接在擺桿結構上并且分別在相互面對的端部上通過設置在扭轉單元與另一扭轉單元之間的固定元件連接在襯底上，其中，扭轉單元的扭轉單元長度和另一扭轉單元的另一扭轉單元長度基本上大小相等。
[0015]由此有利地可能的是，通過兩個基本上相同地構造的扭轉單元實現了微機械傳感器相對于由外部施加的干擾的相對較高的不敏感性。優選地，扭轉單元和/或另一扭轉單元分別為扭轉彈簧。按照本發明完全特別優選地，固定元件具有固定梁元件和另一固定梁元件，它們尤其分別無承載地構造。優選地，擺桿結構僅僅通過固定元件與襯底的本體(Festland)連接，特別優選地，固定元件僅僅部分地連接在本體上，也就是說尤其固定梁元件僅僅間接地通過固定元件與本體連接。特別優選地，固定元件的連接盡可能小，以便使得襯底的變形對擺桿結構的影響最小化。在此，這樣的變形例如通過熱感應的機械應力引起。此外特別優選地，固定梁元件相比于扭轉單元剛性地構造或者具有相對較高的剛性。完全特別優選地，具有兩個固定梁元件的固定元件沿著扭轉軸線設置在兩個扭轉單元之間，而兩個扭轉單元沿著扭轉軸線設置在扭轉軸線的相對置的外端部上?；谟纱藢崿F的關于所述振動模式一也就是沿著振動平面的所期望的振動運動或者“平面內”振動模式一的更高的彈簧剛性特別有利地實現:振動模式的第二共振頻率小于扭轉模式的第一共振頻率。
[0016]按照另一優選的擴展方案設置，第一扭轉元件具有基本上平行于主延伸平面延伸的第一扭轉元件結構寬度和基本上平行于Z方向延伸的第一扭轉元件結構高度，其中，第二扭轉元件具有基本上平行于主延伸平面延伸的第二扭轉元件結構寬度和基本上平行于Z方向延伸的第二扭轉元件結構高度，其中，第一和第二扭轉元件結構寬度和/或第一和第二扭轉元件結構高度如此配置，使得第一共振頻率比第二共振頻率優選小一個數量級，
[0017]-其中，第一扭轉元件結構寬度為第二扭轉元件結構寬度的優選0.5倍至2倍、特別優選0.8倍至1.4倍、完全特別優選1.0倍至1.2倍；和/或
[0018]-其中，第一扭轉元件結構高度為第二扭轉元件結構高度的優選0.01倍至0.4倍、特別優選0.05倍至0.2倍、完全特別優選基本上0.1倍。
[0019]由此有利地可能的是，提供一種改進的微機械傳感器，其中，優選扭轉單元具有i形或反i形，其中，由此以有利的方式擺桿結構的橫向靈敏度相對較小。此外，彈簧裝置或扭轉單元如此配置，使得顯著減小了擺桿結構通過由外部施加的干擾引起的所不期望的從振動平面運動出來。
[0020]按照另一優選的擴展方案設置，
[0021]-第一扭轉元件具有第一導體結構和/或第二扭轉元件具有第二導體結構，其中，第一和/或第二導體結構分別具有兩個通過多個橫向接片相互連接的橫梁元件(Holmelement);和 / 或
[0022]-第一扭轉元件基本上沿第一主延伸方向蜿蜒形地延伸，和/或第二扭轉元件基本上沿第二主延伸方向蜿蜒形地延伸。
[0023]由此有利地可能的是，通過分別路徑形構造的第一和/或第二扭轉元件實現導體彈簧，其中，橫梁元件尤其同樣基本上具有i形狀。由此有利地提高關于沿振動平面的振動運動的彈簧剛性，而不會改變關于繞扭轉軸線的扭轉模式的或扭轉運動的扭轉剛性。由此實現了第一和第二共振頻率的分離，而不會顯著改變橫向敏感度。
[0024]按照另一優選的擴展方案設置，阻尼結構配置用于阻尼擺桿結構沿X方向的平移運動和/或用于阻尼擺桿結構繞軸線的轉動運動，其中，尤其阻尼結構具有一個或多個阻尼元件，其中，尤其所述一個或多個阻尼元件設置在擺桿結構的沿與Z方向基本平行的投影方向穿過擺桿結構延伸的凹槽中，和/或設置在擺桿結構的第一側、第二側、第三側和/或第四側、優選相對置的側上，其中，尤其第一、第二、第三和/或第四側在靜止位置中分別設置在振動平面中，和/或沿著與Z方向平行的投影方向設置在襯底與擺桿結構之間，和/或沿著與Z方向平行的投影方向設置在擺桿結構之上。
[0025]由此有利地可能的是，通過附加的阻尼結構提高沿振動平面的振動運動的阻尼(平面內阻尼)。尤其根據振動運動通過阻尼結構產生阻尼力，所述阻尼力反作用于振動運動。通過阻尼元件在擺桿結構的不同側上的設置有利地阻尼平移運動和/或轉動運動。由此有利地提供了一種改進的和相對于干擾性的機械振蕩不敏感的傳感器。
[0026]按照另一優選擴展方案設置，阻尼結構的一個或多個阻尼元件中的每一個分別具有運動固定地與擺桿結構連接的阻尼電極和與襯底運動固定地連接的相應的阻尼對應電極，其中，尤其一個或多個阻尼元件分別配置用于借助于滑動薄膜阻尼和/或擠壓薄膜阻尼進行阻尼。
[0027]由此有利地可能的是，以簡單和有效的方式阻尼振動運動，從而微機械傳感器相對于由外部施加的干擾是比較不敏感的。
[0028]按照另一優選擴展方案設置，阻尼電極具有多個指形電極而阻尼對應電極具有多個對應指形電極，其中，多個指形電極分別具有沿Z方向延伸的指形結構高度，其中，擺桿結構具有沿Z方向延伸的擺桿結構高度，其中，指形結構高度基本上小于擺桿結構高度。
[0029]由此有利地可能的是，以簡單和有效的方式阻尼振動運動，從而微機械傳感器相對于由外部施加的干擾是比較不敏感的并且同時避免了擺桿結構碰撞在襯底固定的止擋件上，從而尤其提供了改進的微機械傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]在附圖中示出并且在以下的描述中進一步闡明本發明的各實施例。
[0031]附圖示出:
[0032]圖1至3:按照本發明的不同的實施方式的微機械傳感器；
[0033]圖4和5:按照本發明的不同的實施方式的微機械傳感器的擺桿結構；
[0034]圖6至19:按照本發明的不同的實施方式的微機械傳感器。
【具體實施方式】
[0035]在不同的圖中相同的部件總是設有相同的參考標記并且因此通常也分別僅僅一次命名或提及。
[0036]在圖1中不出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I，其中，微機械傳感器I在此示出以示意性的俯視圖(圖1，上方)和側視圖(圖1，下方)中。
[0037]微機械傳感器I具有包括主延伸平面的襯底10和通過扭轉單元40與襯底10連接的擺桿結構20。扭轉單元40主要沿扭轉軸線102’延伸，其中，扭轉軸線102’基本上平行于襯底10的主延伸平面100設置。在此，扭轉軸線102’基本上平行于Y方向102延伸。
[0038]與Y方向102基本上垂直和與主延伸平面100基本上平行的方向在此稱為X方向101，而與主延伸平面100基本上垂直的方向稱為Z方向103。
[0039]擺桿結構在此尤其具有扭轉單元40和另一扭轉單元40’，它們分別主要沿扭轉軸線102’延伸并且分別連接在襯底固定的連接元件11和運動的擺桿結構20上。
[0040]擺桿結構20由靜止位置繞扭轉軸線102’可擺動到偏轉位置中。在此，擺桿結構20相對于扭轉軸線102’具有非對稱的質量分布，所述質量分布如此構造，使得根據沿與襯底10的主延伸平面100基本上垂直的Z方向103定向的對擺桿結構20的慣性力產生繞扭轉軸線102’的轉矩。根據轉矩激勵擺桿結構20進行繞扭轉軸線102’的扭轉運動或者激勵擺桿結構20的扭轉模式。
[0041]擺桿結構20在此尤其是矩形的，其中，擺桿結構20在此平行于X方向101沿擺桿長度201并且平行于Y方向102沿擺桿寬度202延伸。在此，擺桿結構20在靜止位置中主要沿與主延伸平面100基本上平行的振動平面100’延伸。此外，擺桿結構20具有平行于Z方向103延伸的擺桿高度203。為了限制扭轉模式的幅度，微機械傳感器I在此尤其具有襯底固定的兩個止擋件26，所述兩個止擋件阻止擺桿結構20或質量20在側向的過載加速度下達到臨界的偏轉。此外，擺桿結構20在此具有多個穿孔，所述多個穿孔分別沿與Z方向103平行的投影方向延伸穿過擺桿結構20。
[0042]在此，微機械傳感器I具有電極裝置70，其包括擺桿結構20、第一電極71、第二電極72以及第三電極73。在此，第一、第二和第三電極71、72、73分別沿與Z方向103平行的投影方向在襯底10與擺桿結構20之間并且尤其與擺桿結構20重疊地設置。通過電子電路(未示出)給擺桿結構20——其在此也稱為擺桿20——和第三電極73施加稱為CM的電位。給第一電極71施加稱為Cl的電位，而第二電極72施加稱為C2的電位。根據在擺桿結構20與第一電極71和/或在擺桿結構20與第二電極72之間的電容變化尤其探測擺桿結構20——例如與慣性力相關的——繞扭轉軸線102’的扭轉或傾斜。
[0043]在圖2中在示意側視圖中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器1，其中，在此示出的實施方式基本上相應于根據圖1說明的實施方式。在此，擺桿結構20具有層結構，所述層結構具有第一、第二和第三層200 ’、200 ”、200 ”’，它們沿Z方向103重疊地設置。在此，第二層200”沿Z方向103設置在第一層200’與第三層200”’之間。尤其第一層200’在此具有功能多晶硅(FP)，其中，第一層200’也稱為FP層。在此，第二和/或第三層200”、200”’分別具有外延的多晶硅，其中，第三層200”’在此也稱為EP層。優選地，第二層200’或者是犧牲層或者是氧化層。尤其借助于FP技術制造具有層結構的槽結構20，其中，有利地，尤其槽狀擺桿結構20由第一、第二和第三層200’、200”、200”’形成。優選地，借助于FP技術由第一、第二和第三層200’、200”、200”’形成扭轉彈簧40和/或另一扭轉彈簧40’。
[0044]在圖3中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器1，其中，在此所示的實施方式基本上相應于根據圖1至2說明的實施方式。
[0045]按照一個替代的實施方式，扭轉彈簧40和/或另一扭轉彈簧包括各一個T形結構，其包括窄的——尤其具有20微米的高度和3微米的寬度——的豎梁和相對較寬的——具有大約2微米的高度和大約40微米的寬度——相對較薄的橫梁。橫梁尤其沿Z方向103設置在豎梁之下。由此有利地提高了扭轉單元40關于沿振動平面100’的振動運動的剛性，然而這樣構造的結構相對于橫向加速度相對較敏感，所述橫向加速度沿著振動平面定向，也就是說擺桿結構20是橫向敏感的。
[0046]在圖3中左上方示出了由一個唯一的層形成的擺桿結構20，其中，擺桿結構20在此根據側向的——也就是平行于X方向101定向的——的橫向加速度朝擺桿結構20的重心(參見箭頭801)地僅僅沿著X方向101然而不沿著Z方向103偏轉(參見箭頭803)，從而不產生錯誤信號。通過箭頭803標明旋轉點的位置，所述旋轉點沿Z方向103在此位于擺桿結構20的正中區域。在圖3中左中央、左下方和右上方分別示出了由第一、第二和第三層200’、200”、200”’形成的擺桿結構20，其中，旋轉點(通過箭頭802示出)和重心(箭頭801)沿Z方向103相互重疊和相互間隔開地設置。由此，擺桿結構根據橫向加速度平行于主延伸平面100地從振動平面100’偏轉出來(通過箭頭803示出)。在圖3中，在右上方，扭轉單元40具有T形狀，其中，在此通過橫向加速度引起擺桿結構20從振動平面100’偏轉出來，然而是以相反的旋轉方向。按照本發明優選地，扭轉單元40具有在圖3中在右下方說明的i形狀，其也稱為i形彈簧，其中，構造為i形彈簧的扭轉單元40尤其如此配置，使得擺桿結構20不具有橫向敏感性，也就是說根據橫向加速度平行于振動平面100’地僅僅沿著振動平面100’偏轉并且不從振動平面100’偏轉出來。
[0047]在圖4和5中不出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I的擺桿結構20，其中，在此示出的擺桿結構20基本上相應于根據圖1至3說明的擺桿結構20。在此，擺桿結構可通過平移彈簧840在固定元件11上與襯底10連接并且可直線地沿X方向101偏轉。在此擺桿結構具有槽形狀(圖4)，其中，重心如此設置，使得根據橫向加速度引起擺桿結構20從振動平面100’偏轉出來(通過箭頭803說明)(圖5)。
[0048]在圖6至19中示出了按照本發明的不同實施方式的微機械傳感器1，其中，在此示出的實施方式基本上相應于彼此并且相應于根據圖1至5說明的實施方式。
[0049]在圖6中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I。在此，扭轉單元40和另一扭轉單元40’分別通過一個端部41連接在擺桿結構上并且通過另一個端部42連接在襯底固定的固定元件11上，其中，扭轉單元40和另一扭轉單元40’分別沿扭轉軸線102’延伸，其中，固定元件11設置在兩個扭轉單元40、40’之間。兩個扭轉單元40、40’分別具有扭轉單元長度43，其沿扭轉軸線102’在一個端部41與另一個端部42之間延伸。此外，擺桿結構20在此尤其具有凹槽，扭轉單元40、40’和固定元件11設置在所述凹槽中。
[0050]在圖7中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I。在此，扭轉單元40具有第一扭轉元件50和第二扭轉元件60，其中，第一扭轉元件50沿與Z方向103平行的投影方向設置在第二扭轉元件60與襯底之間并且基本上與第二扭轉元件60重疊。此外，第一扭轉元件50在此具有沿Z方向103延伸的第一扭轉元件結構高度503，而第二扭轉元件60在此具有沿Z方向103延伸的第二扭轉元件結構高度603。此外，第一扭轉元件50尤其與第二扭轉元件60間隔開并且尤其在一個端部41和另一個端部42上分別通過連接元件44與第二扭轉元件60僅僅間接地連接。
[0051]在圖8中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I。在此，所述具有i形狀或i形結構的扭轉單元40、40’除了第一和第二扭轉元件50、60之外還具有兩個沿Y方向102并且與扭轉軸線分別具有尤其相同的間距的梁元件53，所述兩個梁元件通過梁連接元件54相互連接。
[0052]在圖9、10和11中在透視圖中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I。在此第一和第二扭轉元件50、60借助于——也稱為島元件的——另外的連接元件63至少部分地一也就是沿Y方向102在多個相互間隔開的區域處一相互、例如僅僅間接地——連接。所述連接也可以連續地在扭轉單元40的整個扭轉單元長度43上延伸。尤其由此有利地例如在EP層200”’和FP層200’——它們具有不同的材料特性——中盡可能地通過以下方式避免不穩定性和/或自發的彎曲(所謂的屈曲(Buckling)):尤其在長的造為i形彈簧的扭轉單元40、40’中沿著扭轉軸線102’設置多個另外的連接元件63。
[0053]在圖10中說明了，第一扭轉元件50具有第一主延伸方向501而第二扭轉元件60具有第二主延伸方向502。在此，第一扭轉元件50沿第一扭轉元件寬度501延伸，而第二扭轉元件60沿第二扭轉元件寬度601延伸。
[0054]在圖12中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I，其中，扭轉單元40在此具有應力解稱結構(Stressentkopplungsstruktur) 50’，其中，應力解稱結構50’尤其具有沿Y方向102可偏轉的彈簧元件50’，其尤其是完全由EP層200’形成。優選地，可偏轉的彈簧元件50’通過兩個連接元件44與EP層200”’——也就是例如與擺桿結構20和/或第一和/或第二扭轉元件50、60連接。
[0055]在圖13和14中在透視圖(圖13)和俯視圖(圖14)中示出了按照本發明的一個實施方式的具有阻尼結構30的微機械傳感器I。令人吃驚地已經發現，按照本發明的微機械傳感器I相對于干擾性的機械振蕩是特別不敏感的，尤其當傳感器I安裝在機動車的發動機室中時，這是因為，借助于阻尼結構30有利地尤其除了分離第一和第二共振頻率之外實現了振動運動的阻尼。阻尼結構30在此配置用于阻尼沿X方向101的平移運動。在此，阻尼結構30具有兩個阻尼元件31、32，其中，每個阻尼元件分別具有一個阻尼電極31和一個阻尼對應電極32 (參見圖14)。在此，兩個阻尼元件31、32設置在擺桿結構20的沿與Z方向103基本上平行的投影方向穿過擺桿結構20延伸的凹槽25中并且尤其設置在完全包圍擺桿結構20的框架元件內。在此，擺桿結構20具有第一側21、第二側22、第三側23和第四側24。在此，第一和第二側21、22沿著扭轉軸線102’設置在擺桿結構20的相對置的端部上，而第三和第四側23、24沿X方向101設置在擺桿結構20的相對置的端部上。此外，在此分別一個阻尼元件31、32設置在第一和第二側21、22上，其中，阻尼電極31分別具有多個指形電極31’，而阻尼對應電極32分別具有多個對應指形電極32’。指形電極和對應指形電極31’、32’分別主要沿與Y方向102基本上平行的指形電極結構長度301延伸(圖14)。阻尼結構30在此尤其如此配置，使得在擺桿結構20沿振動平面100’的振動運動中壓縮設置在指形電極31與對應指形電極32之間的氣體并且根據氣體的壓縮產生阻尼力，所述阻尼力阻尼擺桿結構20—在此沿X方向101的一的振動運動。以相應的方式可以阻尼擺桿結構20從振動平面100’偏轉出來。
[0056]在圖15中不出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I。在此,第一和第二共振頻率的分離例如是通過扭轉單元長度43的縮短和第一和/或第二扭轉結構寬度501、601(參見圖10)的相應匹配實現，從而在通過扭轉單元長度43的縮短提高第二共振頻率的情況下不改變或僅僅稍微地改變第一共振頻率。通過縮短，有利地，關于沿振動平面100’的振動運動的彈簧剛性增加并且因此第二共振頻率超比例地增加。優選地，未縮短的扭轉單元40——所謂的標準i形彈簧——的扭轉單元長度43優選在100微米與300微米之間、特別優選地在150微米與250微米之間、完全特別優選地基本上為190微米。在此，所謂縮短的扭轉單元40的扭轉單元長度對此替代地如例如在圖15中所示的那樣為在10微米與200微米之間、優選在30微米與90微米之間，完全特別優選地基本上為60微米。此夕卜，尤其扭轉單元40通過固定元件11的固定梁元件12連接在襯底上。
[0057]在圖16中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I。在此，第一扭轉元件50具有第一導體結構51、52，而第二扭轉元件60具有第二導體結構61、62，其中，第一和/或第二導體結構51、52、61、62分別具有兩個通過多個橫向接片52、62相互連接的橫梁元件51、61。尤其按照本發明優選地，橫梁元件51、61和/或橫向接片52、62的平行于主延伸平面100延伸的結構寬度如此配置或匹配，使得橫向敏感性是小的。
[0058]在圖17中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I。在此，阻尼結構30具有三個阻尼元件31、32，其中，在此，三個阻尼元件31、32中的一個阻尼元件31、32設置在第四側24上，從而阻尼擺桿結構20繞與Z方向103基本上平行的軸線103’的轉動。附加地，也可以在第一、第二和/或第三側21、22、23上設置阻尼元件31、32，以便阻尼例如擺桿結構20沿X方向101和/或Y方向102的平移運動。優選地，設置在第三側上的阻尼元件31、32和/或所有阻尼元件31、32的所有指形電極31’和/或對應指形電極32’分別具有沿Z方向103延伸的指形電極結構高度303，其小于擺桿結構高度303，以便尤其避免在擺桿結構20繞扭轉軸線102’的扭轉運動或擺桿運動中擺桿結構的碰撞。
[0059]在圖18和19中在不同的俯視圖中示出了按照本發明的一個實施方式的微機械傳感器I。在此，尤其說明了阻尼結構30的指形電極或對應指形電極31’、32’的作用原理。指形電極31’和/或對應指形電極32’尤其分別具有在10微米與100微米之間、優選在30微米與90微米之間、特別優選大約68微米的指形結構長度301。此外，指形電極31’和/或對應指形電極32’分別具有尤其與指形電極31’的或對應指形電極32’的主延伸方向垂直地延伸的在I微米與10微米之間、優選在I微米與5微米之間、特別優選為大約2微米的結構寬度。指形電極31’和對應指形電極32’尤其分別基本上具有沿與指形電極的或對應指形電極31’、32’的主延伸方向延伸的方向的電極間距，其中，電極間距優選為在I微米與10微米之間、特別優選地在3微米與6微米之間、完全特別優選地為大約4.3微米。
【權利要求】
1.一種微機械傳感器(I)，其包括具有主延伸平面(100)的襯底(10)和通過扭轉單元(40)與所述襯底(10)連接的擺桿結構(20)，其中，所述扭轉單元(40)主要沿扭轉軸線(102’)延伸，其中，所述扭轉軸線(102’)基本上平行于所述襯底(10)的主延伸平面(100)地設置，其中，所述擺桿結構(20)由靜止位置繞所述扭轉軸線(102’ )可擺動到偏轉位置中，其中，所述擺桿結構(20)相對于所述扭轉軸線(102’ )具有非對稱的質量分布，其中，所述質量分布如此構造，使得根據沿與所述襯底(10)的主延伸平面(100)基本上垂直的Z方向(103)定向的對所述擺桿結構(20)的慣性力引起所述擺桿結構(20)繞所述扭轉軸線(102’ )的扭轉運動，其特征在于， 所述微機械傳感器(I)具有阻尼結構(30)，其中，所述阻尼結構(30)配置用于阻尼所述擺桿結構(20)沿與所述襯底(10)的主延伸平面(100)基本上平行的X方向(101)的平移運動，和/或 所述扭轉單元(40)具有第一扭轉元件(50)和與所述第一扭轉元件(50)連接的第二扭轉元件(60)，其中，所述第一扭轉元件(50)具有基本上平行于所述扭轉軸線(102’ )延伸的第一主延伸方向(502)，而第二扭轉元件(60)具有基本上平行于所述扭轉軸線(102’)延伸的第二主延伸方向(602),其中，所述第一和第二主延伸方向(502、602)沿與所述Z方向(103)基本上平行的投影方向相互間隔開地設置，其中，所述第一和第二扭轉元件(50、60)沿所述投影方向至少部分地相互重疊，其中，所述微機械傳感器(I)如此配置，使得所述擺桿結構(20)繞所述扭轉軸線(102’ )的扭轉模式的第一共振頻率小于所述擺桿結構(20)的振動模式的第二共振頻率，其中，所述振動模式包括所述擺桿結構(20)沿與所述主延伸平面(100)基本上平行的振動平面(100’ )的振動運動。
2.根據權利要求1所述的微機械傳感器(I)，其特征在于， 所述振動運動包括所述擺桿結構(20)沿所述X方向(101)的平移運動，其中，所述X方向(101)基本上垂直于所述扭轉軸線(102’ )地設置；和/或 所述振動運動包括所述擺桿結構(20)繞與所述Z方向(103)基本上平行的軸線(103’ )的轉動運動。
3.根據以上權利要求中任一項所述的微機械傳感器(I)，其特征在于，所述扭轉單元(40)具有由所述扭轉單元(40)的一個端部(41)到另一個端部(42)沿所述扭轉軸線(102’ )延伸的扭轉單元長度(43)， 其中，所述扭轉單元長度(43)小于所述擺桿結構(20)的沿所述扭轉軸線(102’)延伸的擺桿寬度(202)的二分之一、優選小于其三分之一、特別優選地小于其四分之一、完全特別優選地小于其五分之一；和/或 所述第一扭轉元件(50)沿著所述第一主延伸方向(502)具有所述扭轉單元長度(43)，其中，所述第二扭轉元件￠0)沿著所述第二主延伸方向(602)具有所述扭轉單元長度(43)，其中，所述第一和第二扭轉元件(50、60)通過兩個或更多個連接元件(44)尤其僅僅間接地相互連接，其中，所述兩個或更多個連接元件(44)沿著Y方向(102)相互間隔開。
4.根據以上權利要求中任一項所述的微機械傳感器(I)，其特征在于，所述擺桿結構(20)具有主要沿所述扭轉軸線(102’ )延伸的另一扭轉單元(40’)，其中，所述扭轉單元(40)和所述另一扭轉單元(40’)分別在相互背向的端部(41)上連接在所述擺桿結構(20)上并且分別在相互面對的端部(42)上通過設置在所述扭轉單元(40)與所述另一扭轉單元(40’ )之間的固定元件(11)連接在所述襯底(20)上，其中，所述扭轉單元(40)的扭轉單元長度(43)和所述另一扭轉單元(40’ )的另一扭轉單元長度(43’ )基本上大小相等。
5.根據以上權利要求中任一項所述的微機械傳感器(I)，其特征在于，所述第一扭轉元件(50)具有基本上平行于所述主延伸平面(100)延伸的第一扭轉元件結構寬度(501)和基本上平行于所述Z方向(103)延伸的第一扭轉元件結構高度(503)，其中，所述第二扭轉元件(60)具有基本上平行于所述主延伸平面(100)延伸的第二扭轉元件結構寬度(601)和基本上平行于所述Z方向(103)延伸的第二扭轉元件結構高度(603)，其中，所述第一和第二扭轉元件結構寬度(501、601)和/或所述第一和第二扭轉元件結構高度(503、603)如此配置，使得所述第一共振頻率比所述第二共振頻率小優選一個數量級， 其中，所述第一扭轉元件結構寬度(501)為所述第二扭轉元件結構寬度(601)的優選0.5倍至2倍、特別優選0.8倍至1.4倍、完全特別優選1.0倍至1.2倍；和/或 其中，所述第一扭轉元件結構高度(503)為所述第二扭轉元件結構高度(603)的優選0.01倍至0.4倍、特別優選0.05倍至0.2倍、完全特別優選基本上0.1倍。
6.根據以上權利要求中任一項所述的微機械傳感器(I)，其特征在于， 所述第一扭轉元件(50)具有第一導體結構(51、52)和/或所述第二扭轉元件￠0)具有第二導體結構(61、62)，其中，所述第一和/或第二導體結構(51、52、61、62)分別具有兩個通過多個橫向接片(52、56)相互連接的橫梁元件(51、61);和/或 所述第一扭轉元件(50)基本上沿所述第一主延伸方向(502)蜿蜒形地延伸，和/或所述第二扭轉元件￠0)基本上沿所述第二主延伸方向(602)蜿蜒形地延伸。
7.根據以上權利要求中任一項所述的微機械傳感器(I)，其特征在于，所述阻尼結構(30)配置用于阻尼所述擺桿結構(20)沿所述X方向(101)的平移運動和/或用于阻尼所述擺桿結構(20)繞所述軸線(103’ )的轉動運動，其中，尤其所述阻尼結構(30)具有一個或多個阻尼元件(31、32)，其中，所述一個或多個阻尼元件(31、32)尤其設置在所述擺桿結構(20)的沿與所述Z方向(103)基本平行的投影方向穿過所述擺桿結構(20)延伸的凹槽(25)中，和/或設置在所述擺桿結構(20)的第一側(21)、第二側(22)、第三側(23)和/或第四側(24)、優選相對置的側(21、22、23、24)上，其中，尤其所述第一、第二、第三和/或第四側(21、22、23、24)在所述靜止位置中分別設置在所述振動平面(100’ )中，和/或沿著與所述Z方向(103)平行的投影方向設置在所述襯底(10)與所述擺桿結構(20)之間，和/或沿著與所述Z方向(103)平行的投影方向設置在所述擺桿結構(20)之上。
8.根據以上權利要求中任一項所述的微機械傳感器(I)，其特征在于，所述阻尼結構(30)的所述一個或多個阻尼元件(31、32)中的每一個分別具有運動固定地與所述擺桿結構(20)連接的阻尼電極(31)和與所述襯底(10)運動固定地連接的相應的阻尼對應電極(32)，其中，尤其所述一個或多個阻尼元件(31、32)分別配置用于借助于滑動薄膜阻尼和/或擠壓薄膜阻尼進行阻尼。
9.根據以上權利要求中任一項所述的微機械傳感器(I)，其特征在于，所述阻尼電極(31)具有多個指形電極(31’)而所述阻尼對應電極(32)具有多個對應指形電極(32’)，其中，所述多個指形電極(31’)分別具有沿所述Z方向(103)延伸的指形結構高度(303)，其中，所述擺桿結構(20)具有沿所述Z方向(103)延伸的擺桿結構高度(203)，其中，所述指形結構高度(303)基本上小于所述擺桿結構高度(203)。
10.一種用于制造根據以上權利要求中任一項所述的微機械傳感器(I)的方法，其特征在于，在第一制造步驟中提供具有主延伸平面(100)的襯底(10)，其中，擺桿結構(20)通過扭轉單元(40)與所述襯底(10)連接，其中，所述扭轉單元(40)主要沿扭轉軸線(102’)延伸，其中，所述扭轉軸線(102’ )基本上平行于所述襯底(10)的主延伸平面(100)地設置，其中，所述擺桿結構(20)如此構造，使得所述擺桿結構(20)由靜止位置繞所述扭轉軸線(102’)可擺動到偏轉位置中，其中，所述擺桿結構(20)相對于所述扭轉軸線(102’)的質量分布如此非對稱地構造，使得根據沿與所述襯底(10)的主延伸平面(100)基本上垂直的Z方向(103)定向的對所述擺桿結構(20)的慣性力引起所述擺桿結構(20)繞所述扭轉軸線(102’ )的扭轉運動，其中，在第二制造步驟中將阻尼結構(30)連接在所述微機械傳感器(I)上，其中，將所述阻尼結構(30)配置用于阻尼所述擺桿結構(20)沿與所述主延伸平面(100)基本上平行的X方向(101)的平移運動，和/或，其中，在第三制造步驟中由所述扭轉單元(40)構造第一扭轉元件(50)和與所述第一扭轉元件(50)連接的第二扭轉元件(60)，其中，所述第一扭轉元件(50)的第一主延伸方向(502)和所述第二扭轉元件(60)的第二主延伸方向(602)分別基本上平行于所述扭轉軸線(102’ )地設置，其中，所述第一和第二主延伸方向(502、602)沿與所述Z方向(103)基本上平行的投影方向相互間隔開地設置，其中，所述第一和第二扭轉元件(50、60)沿所述投影方向至少部分相互重疊地設置，其中，在第四制造步驟中所述扭轉單元(40)如此配置，使得所述擺桿結構(20)繞所述扭轉軸線(102’)的扭轉模式的第一共振頻率小于所述擺桿結構(20)的振動模式的第二共振頻率，其中，所述振動模式包括所述擺桿結構(20)沿與所述主延伸平面(100)基本上平行的振動平面(100’ )的振動運動。
【文檔編號】G01P15/08GK104422786SQ201410418229
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2013年8月26日
【發明者】G-N-C·烏爾希里, A·奧爾托 申請人:羅伯特·博世有限公司
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