[发明专利]微机械多轴加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测多轴加速度的微机械加速度传感器。这种加 速度传感器可以作为惯性传感器应用在尤其是汽车的安全系统中。

背景技术

微机械加速度传感器通常被实施为质量-弹簧系统，该质量-弹簧系 统具有电容式地分析由所作用的机械力或转矩引起的振动质量偏移的功 能。为此设置电极对，这些电极对包括要么牢固地与基底连接要么与振动 质量连接的电极，这些电极通常构成平板电容器，其电容与振动质量的偏 移有关。就用于测量与其基底平面平行的加速度的传感器元件而言，振动 质量的悬挂通常在振动质量的重心所处的平面中实现，从而在该平面中出 现加速度时振动质量也在该平面中偏移。

已知的是，如果该振动质量的悬挂或者多个振动质量的悬挂以及必要 时还有牢固地与基底连接的电极的悬挂紧密相邻，则通过基底的应力输入 耦合对测量信号产生的影响变小。对于能够将平行于基底平面或晶片平面 作用的加速度转化成相同平面中的振动质量偏移的常规传感器元件而言， 活动的结构和固定的检测电极的这种中心悬挂为了降低传感器的应力敏感 性而需要，这种中心悬挂在实际处理方法中由布局决定而导致如此设计的 传感器的检测能力降低。

已知的是，对于要检测多个轴的加速度的传感器而言，为每个轴设置 有一个单独的质量-弹簧系统，这会相应地增加这种传感器对空间的需求。 这对芯片面积的需求产生不利影响，由此对制造成本产生不利影响，并且 由于构件尺寸不可避免地增加而在有些场合表现出明显的竞争劣势。

此外已知的是，实施具有振动质量的多轴加速度传感器，该振动质量 用于与设置在比较中心的悬挂相结合来测量多个方向上的加速度。这些系 统基于：振动质量借助多个星形延伸的连接梁悬挂，这些连接梁能够实现 振动质量的悬挂式支承。但是目前这种系统只能以费事的体积微机械的方 法制造，因而是相当昂贵的。

发明内容

本发明的目的是，提供一种微机械加速度传感器，与体积微机械的方 法相比，该加速度传感器的制造费用更低并且能够在空间需求低和经基底 的干扰耦合的应力敏感性低的情况下实现多轴加速度的检测。

该目的通过具有权利要求1的特征的微机械加速度传感器实现。从属 权利要求2至10涉及按照本发明的加速度传感器的有利设计方案。

本发明包括一种微机械加速度传感器，该微机械加速度传感器包括基 底、平行于基底平面延伸的弹性薄膜和振动质量，弹性薄膜部分地与基底 连接并且具有能够垂直于基底平面偏移的平面区域，振动质量的重心处于 弹性薄膜平面之外，其中，振动质量在基底侧具有一个平的面，该面在一 些基底区域上方延伸，这些基底区域位于弹性薄膜区域之外并且具有由多 个电极组成的装置。振动质量的平的面在静止状态下平行于由多个电极组 成的装置延伸，这些电极分别与振动质量的对置区域在电路技术上构成电 容器。振动质量在其中心区域在弹性薄膜的能够垂直于基底平面偏移的平 面区域中固定在弹性薄膜上。振动质量和电极之间的距离如此确定，使得 振动质量能够实现功能正确的偏移。

振动质量在设置有电极的基底区域前的间隔距离使得能够实现单个电 极和振动质量的对置平面区域之间的距离变化，这导致相应的电容变化。 在出现平行于基底平面的加速度时，由于振动质量的重心偏移到弹性薄膜 前面而实现振动质量从基底平面或平行的平面偏移(倾斜)出来，该弹性 薄膜同时规定振动质量的悬挂位置。通过将振动质量固定在弹性薄膜上同 时能够实现振动质量的中心悬挂，无需考虑因布局引起的检测能力的降低。 这种按照本发明的传感器的特征在于振动质量的由加速度导致的倾斜没有 优选方向。由此，该传感器能够检测两个空间方向的加速度，其中，振动 质量、其在弹性薄膜上的悬挂以及在相应的电极装置中构成测量电容器的 电极被共同用于这两个方向上的检测。对于在基底上平行延伸的电极和振 动质量的相应对置的平面区域而言，能够实现基底和振动质量之间的小的 基本距离，由此能够以相对小的面积需求实现高的检测电容。

在分析电路中将在振动质量的倾斜期间的各个电容变化与相应的加速 度分量对应起来。如果振动质量具有至少两条平行于基底平面的沿检测方 向的对称轴线，则能够实现有利的且相对简单的分析。此外有利的是，在 电极和振动质量的对置区域之间的重叠区域中同样具有两条平行于基底平 面的沿检测方向的对称轴线。