[发明专利]制造电容式加速度传感器的方法和电容式加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量加速度的测量装置，更具体而言涉及电容式加速度传感器(capacitive acceleration sensor)。本发明的目的是提供一种改进的制造电容式加速度传感器的方法，并且提供一种电容式加速度传感器，其适合于在小型电容式加速度传感器方案中使用，并且特别适合于在测量关于若干条轴线的加速度的小型且极薄的电容式加速度传感器方案中使用。

发明背景

基于电容式加速度传感器的测量已经被证明是一种基于简单且可靠原理的加速度测量方法。电容测量基于传感器的一对电极的两个表面之间的间隙变化。这两个表面之间的电容，即用于存储电荷的电容量，取决于表面积和它们之间的距离。电容测量甚至可在相当低的加速度值的测量范围内使用。

小型电容式加速度传感器结构通常基于硅上制造的微观机械结构(micromechanical structure)。微观机械结构通常是通过蚀刻晶片材料而形成的具有厚度超过100μm的结构。微观机械电容式加速度传感器的一个优点是与结构面积相关的大的质量块，其可使优越性能的电容式加速度传感器易于制造。

现有技术用于制造专业和消费类电子产品的连接和密封方法以及消费类电子产品的小型化已经导致了与微观机械元件，例如电容式加速度传感器的尺寸，具体地说是与传感器元件的高度相关的迫切需求。

目前，一些关于若干条轴线的现有技术的电容式加速度传感器测量方案是已知的。在例如德国专利出版物DE 10225714和美国专利No.6,829,937中，描述了这种方案。这些出版物中所述的加速度测量原理都基于非对称的通过扭簧的质量块支撑，从而垂直于弹簧轴线，穿过质量块重心形成与电容偏板基本45°的角度。

以下将参照附图来描述现有技术，其中：

图1以截面投影图显示了根据现有技术的电容式加速度传感器方案，

图2显示了根据现有技术用于测量关于三条轴线的加速度的电容式加速度传感器元件的定位方案，

图3以截面投影图显示了根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案，和

图4显示了在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，变形对测量电极和质量块之间的距离的影响。

图1以截面投影图显示了根据现有技术的电容式加速度传感器方案。根据现有技术，在电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块1的扭簧4偏心地定位在纵向方向上，在厚度方向上定位在质量块1的一个边缘上。测量电极2，3相对于弹簧轴线对称地定位在该质量块下面。在投影图中，与测量电极2，3重合的质量块1的区域由虚线表示。

图2显示了根据现有技术用于测量关于三条轴线的加速度的电容式加速度传感器元件的定位方案。在根据现有技术的定位方案中，加速度传感器元件7，8，9定位成用于测量关于三条轴线的加速度。通过所示定位方案，可实现若干条轴线的加速度的传感器，其测量方向涵盖整个空间。

根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的一个优点是电极在相同平面中的定位，以及对结构变形的抗性。当传感器进行机械连接和电连接时，以及当其获得保护免于环境的化学影响时，结构变形几乎是不可避免的。这些变形是由材料的热膨胀差异而造成的。根据现有技术的上述电容式加速度传感器方案极好地承受了结构变形，而没有由于零漂而产生测量不准确。

根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的优点还在于，通过改变垂直于穿过重心的弹簧线的角度可以轻易地实现对加速度传感器方案的垂直和水平灵敏度的调节。如果角度大于45°，获得小于水平灵敏度的垂直灵敏度，这在许多实际应用中是很有用的。

根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的缺点是空间的低效使用，因为质量块表面的一些部分仍没有被电极覆盖到。

图3以截面投影图显示了根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案。在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块10的扭簧13被定位在质量块10的角落中。测量电极11，12定位在位于质量块10两侧的两个不同的平面上。在投影图中，与测量电极11，12重合的质量块10的区域由虚线表示。

在图3的方案中，测量方向相对测量电极11，12的平面成45°角。通过将扭簧13定位在质量块10的角落中可实现不对称。根据现有技术，图3中所示的第二电容式加速度传感器方案的一个优点是对面积的极有效使用。