專利名稱：微機械傳感器及相應的測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微機械傳感器以及一種借助于這種傳感器測量慣性量或力的大小的方法，所述傳感器具有一個通過至少一個扭轉梁懸掛在基底上的振動質量塊。
背景技術：
由DE 10 2008 017 156 Al已知一種微機械加速度傳感器，所述傳感器具有至少一個基底、一個或多個框架以及至少一個第一振動質量塊，所述框架中的至少一個第一框架借助于至少一個彈簧元件直接或間接地懸掛在基底上并且在至少一個第一加速度的作用下相對于基底偏轉，所述振動質量塊借助于至少一個彈簧元件懸掛在第一或者另一個框架上，并且在加速度，特別是與第一加速度不同的加速度的作用下相對于這個框架偏轉。為了檢測加速度，所述彈簧元件特別地具有多個壓阻區(qū)域，這些壓阻區(qū)域通過對相應的彈簧元件的表面進行摻雜而形成。

發(fā)明內容
根據(jù)權利要求1的本發(fā)明的傳感器以及依據(jù)權利要求9的相應的測量方法實現(xiàn)了對壓阻式傳感器進一步的微型化。本發(fā)明基于壓阻式塊體材料的使用，由此可以不需要針對性地引入多個摻雜區(qū)域。本發(fā)明基于以下認識可以對待測量的物理量的大小和符號相互分開地進行確定。為了確定待測量的量的大小可以使用懸掛在至少一個扭轉梁上的振動質量塊。作用于所述振動質量塊的物理量使扭轉梁扭轉并且通過壓阻效應引起扭轉梁的電阻變化。在這里，為了測量可以考慮扭轉梁的整個塊體，從而可以對扭轉梁的整個塊體進行摻雜，以形成壓阻材料。由此，可以不必使傳感器裝置由于要適當引入多個摻雜區(qū)域而進一步形成亞結構，從而可以實現(xiàn)更小的尺寸。特別是對于檢測垂直于其平面的加速度的ζ傳感器，可以有利地應用本發(fā)明。也就是說，在此需克服以下困難所述振動質量塊的與其位于同一平面內的懸掛件在ζ加速度作用于所述振動質量塊時并非簡單地受到拉力或壓力，所以使用懸掛件的整個塊體來通過壓阻效應確定機械應力是有困難的。為了使ζ加速度引起振動質量塊繞至少一個扭轉梁的扭轉軸線運動并且由此引起扭轉梁的扭轉，必須使所述振動質量塊的重心位于扭轉軸線之外。優(yōu)選的是使整個振動質量塊位于扭轉軸線的一側。對本發(fā)明的相應主題的有利改進方案在從屬權利要求中給出。在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式中，通過設置至少一個附加的彎曲梁實現(xiàn)作用于振動質量塊的量的符號。將所述至少一個彎曲梁設置為使得振動質量塊由于待測量的量的作用而引起的運動的結果是彎曲梁被壓縮或者拉伸。通過這種方式，至少一個彎曲梁的整個塊體可以具有壓阻材料，以便通過電阻確定待測量的量的符號。在本發(fā)明的一種替代的優(yōu)選的實施方式中，所述至少一個扭轉梁有預應力，以便實現(xiàn)對待測量的物理量的符號的確定，振動質量塊懸掛在所述扭轉梁上。于是電阻的測量值由與預應力對應的值和由待測量的量引起的電阻變化組成。通過比較電阻測量值和與預應力對應的電阻值確定待測量的量的大小和符號。


本發(fā)明的實施例在附圖中示出并且將在下面的描述中進行詳細闡述。其中圖1以俯視圖示出了依據(jù)本發(fā)明的傳感器的第一種實施例；圖2以側視圖示出了依據(jù)本發(fā)明的傳感器的第一種實施例；圖3以立體視圖示出了依據(jù)本發(fā)明的傳感器的第一種實施例；圖4以立體視圖示出了依據(jù)本發(fā)明的傳感器的第二種實施例；圖5示出了在依據(jù)本發(fā)明的傳感器的第一種實施例中的電流；圖6以俯視圖示出了依據(jù)本發(fā)明的傳感器的第三種實施例；以及圖7以側視圖示出了依據(jù)本發(fā)明的傳感器的第三種實施例。在附圖中，相同的附圖標記表示相同的或者功能相同的部件。
具體實施例方式在圖1中示出了從上方看的根據(jù)本發(fā)明第一種實施例的用于檢測ζ加速度的傳感器10的示意圖。所述傳感器10包括板式的振動質量塊11，所述質量塊通過兩個扭轉梁12與基底懸掛件13相連接。兩個扭轉梁12具有相同的尺寸并且沿一條共同的扭轉軸線遠離所述質量塊11地延伸，該扭轉軸線位于板11的一個橫向面上，從而使所述振動質量塊11的重心位于扭轉軸線之外，并且該扭轉軸線垂直于板11的兩個縱向面延伸。相反地，這種裝置也可以被看作一個扭轉梁12，所述振動質量塊11從該扭轉梁的中間區(qū)域以直角突出。扭轉梁12在χ、y、ζ方向上盡可能抗彎，但是沿扭轉軸線能夠柔性扭轉。由此，將傳感器對χ或 y方向的靈敏度保持在很小的范圍內。根據(jù)第一種優(yōu)選的實施例，所述傳感器10此外還具有兩個彎曲梁14，所述振動質量塊11通過所述彎曲梁與基底懸掛件15連接。也可以想到的是，可以使用一個或兩個以上的彎曲梁。兩個彎曲梁14均沿垂直于扭轉軸線的方向延伸。所述基底懸掛件13和15 本身又被錨固在在圖中未示出的基底中。圖2是從側面看的根據(jù)本發(fā)明的第一種優(yōu)選實施例的傳感器10的示意圖。從圖2可以看出，所述彎曲梁14在傳感器10的初始位置平行于板11的延伸方向延伸。特別的是，所述彎曲梁14的底面與板11的底面共面。此外，所述彎曲梁14比板11 明顯更薄，從而使所述彎曲梁與板11連接的區(qū)域位于扭轉軸線的下面，所述振動質量塊11 可繞所述軸線運動。所述彎曲梁14也可以被設置在更低的位置，從而使彎曲梁的頂面與板 11的底面鄰接。圖3是依據(jù)本發(fā)明的第一種優(yōu)選實施例的傳感器10的示意性立體圖。由圖3可以更清楚地看到振動質量塊11和梁12和14的相對布置。所述扭轉梁 12是長方體形的，并且被布置為使得它們各自背向振動質量塊11的縱向面都大致與所述振動質量塊11的朝向所述扭轉梁12的一面共面。此外，所述扭轉梁12的高度相當于板11的厚度，從而使得所述扭轉梁12的頂面和底面分別位于經(jīng)過板11的頂面和底面的平面內。根據(jù)所述優(yōu)選的實施例，所述振動質量塊11和扭轉梁12由一個外延生長多晶硅層制成，其厚度優(yōu)選的是在10和20 μ m之間。所述彎曲梁14由另一個多晶硅層制成，其厚度優(yōu)選的是在500nm和2μπι之間。通過這種方式，這兩層可以相互獨立進行構造。在制造壓阻材料時這兩層可以被均勻地摻雜，這使得制造特別簡化。然而也可以僅對梁12和14 進行摻雜。圖4是根據(jù)本發(fā)明第二種優(yōu)選實施例的傳感器10’的示意性立體圖。所述傳感器10’與傳感器10的區(qū)別在于彎曲梁14’的位置。振動質量塊11和扭轉梁12的布置與本發(fā)明的第一種實施例的布置相符。與此相反的是，在傳感器10’中，彎曲梁14’不是位于經(jīng)過板11的平面中，而是垂直于該平面。通過這種方式，所述振動質量塊11在ζ方向的加速度直接使彎曲梁14’被壓縮或拉伸?，F(xiàn)在借助于圖5并借助于依據(jù)第一種優(yōu)選實施例的傳感器10，對本發(fā)明的傳感器的兩種優(yōu)選實施方式的工作原理進行闡述。圖5以示意圖的形式示出了傳感器10的俯視圖，其中，畫出了電流路徑。在圖5中以Il表示的箭頭示出了流過扭轉梁12的電流，而由12表示的箭頭示出了流過彎曲梁14的電流。若所述振動質量塊11受到ζ方向的加速度，即垂直于其延伸方向的加速度，則由此產(chǎn)生圍繞扭轉軸線的扭矩，因為質量塊11的重心位于扭轉軸線之外。由此，所述梁12被扭轉，這導致內部的機械應力，從而引起電阻變化。由于扭轉與方向無關地總會產(chǎn)生剪切應力，通過電流流徑Il測量的電阻值給出關于ζ加速度的大小的信息。為了此外還可以確定ζ加速度的符號，還通過電流流徑12檢測彎曲梁14的電阻，所述彎曲梁通過振動質量塊11的運動而被壓縮或拉伸。于是可以通過時分復用技術交替地檢測ζ加速度的大小和符號。圖6是從上方看的根據(jù)本發(fā)明的第三種優(yōu)選實施例的用于檢測ζ加速度的傳感器 20的示意圖。根據(jù)本發(fā)明的第三種實施例的傳感器20與傳感器10和10’的區(qū)別在于，不需要彎曲梁。但是該傳感器同樣地包括板式的振動質量塊21，所述質量塊通過兩個扭轉梁22與基底懸掛件23連接。振動質量塊21和扭轉梁22的基本結構與前面的實施例的基本結構相符。圖7是從側面看的根據(jù)本發(fā)明的第三種優(yōu)選實施例的傳感器20的示意圖。由圖7可見，所述振動質量塊21在初始狀態(tài)下已經(jīng)發(fā)生伴隨著梁22的預應力出現(xiàn)的偏轉。梁22的這個預應力用于確定作用在質量塊21上的ζ加速度的符號。在有預應力的扭轉梁22中，在沿所述振動質量塊21預偏轉的方向偏轉時，則機械應力增大；在沿相反的方向偏轉時，則機械應力減小。通過在測量所述扭轉梁22的電阻時從測量值中減去與由預應力產(chǎn)生的電阻相對應的偏差，可以同時測量ζ加速度的符號和大小，其中，為了測量所述扭轉梁的電阻，在所述基底懸掛23施加電壓。在這里，測量范圍局限于與預偏轉相反的方向，直到機械應力消失的時刻。本發(fā)明是借助于ζ加速度傳感器進行描述的。然而本發(fā)明也可以被應用在其他傳感器上，例如角速度傳感器或力傳感器。
權利要求
1.一種微機械傳感器，該傳感器包括至少一個基底和一個通過至少一個扭轉梁(12) 懸掛在基底上的振動質量塊(11)，用于測量作用在所述振動質量塊(11)上的物理量，其特征在于，為了形成壓阻材料，至少是所述至少一個扭轉梁(12)的整個塊體都被摻雜。
2.按照權利要求1所述的微機械傳感器，其特征在于，所述傳感器(10)用于測量慣性量，特別是ζ加速度。
3.按照權利要求1或2所述的微機械傳感器，其特征在于，所述振動質量塊(11)和所述至少一個扭轉梁(12)由硅構成并且至少是所述至少一個扭轉梁(12)被均勻地摻雜。
4.按照上述權利要求中的任意一項所述的微機械傳感器，其特征在于，所述傳感器 (10)通過所述至少一個扭轉梁(12)的電阻變化表示用于衡量待測量的量的大小的尺度。
5.按照權利要求4所述的微機械傳感器，其特征在于，所述傳感器(10)此外還具有至少一個用于確定待測量的量的符號的彎曲梁(14)，其中，所述彎曲梁(14)在所述振動質量塊(11)運動時被壓縮或拉伸。
6.按照權利要求5所述的微機械傳感器，其特征在于，所述至少一個彎曲梁(14)位于一個與處于初始位置的所述振動質量塊(11)的延伸方向相平行且與所述至少一個扭轉梁 (12)的扭轉軸線相間隔的平面中，其中，所述彎曲梁(14)沿垂直于所述扭轉軸線的方向延伸。
7.按照權利要求5或6所述的微機械傳感器，其特征在于，所述傳感器(10)正好具有兩個相互平行設置的彎曲梁(14)。
8.按照權利要求4所述的微機械傳感器，其特征在于，所述至少一個扭轉梁有預應力， 以確定待測量的量的符號。
9.借助于一種微機械傳感器(10)測量慣性量或力的方法，在所述傳感器中，一個振動質量塊(11)借助于至少一個扭轉梁(12)懸掛在基底上，所述方法具有下列步驟通過檢測所述至少一個扭轉梁(12)的電阻變化，確定作用在所述振動質量決(11)上的慣性量或力的大小，其中，為了檢測電阻變化考慮所述扭轉梁(1 的整個橫截面。
10.按照權利要求9所述的方法，其中，所述傳感器(10)此外還至少具有一個彎曲梁 (14)，所述彎曲梁(14)在所述振動質量塊(11)運動時被壓縮或拉伸并且所述慣性量或力的符號通過檢測所述彎曲梁(14)的電阻變化被確定。
11.按照權利要求10所述的方法，其中，通過時分復用技術交替地檢測慣性量或力的大小和符號。
12.按照權利要求9所述的方法，其中，所述至少一個扭轉梁(12)有預應力，并且為了確定作用在所述振動質量塊(11)上的慣性量或力的大小和符號，將所述至少一個扭轉梁 (12)的電阻測量值與和預應力相對應的電阻值進行比較。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機械傳感器及相應的測量方法。本發(fā)明提供一種微機械傳感器，該傳感器包括至少一個基底和一個通過至少一個扭轉梁(12)懸掛在基底上的振動質量塊(11)，用于測量作用在所述振動質量塊(11)上的物理量，其中，為了形成壓阻材料，至少是所述至少一個扭轉梁(12)的整個塊體都被摻雜。本發(fā)明還提供一種借助于這種傳感器測量慣性量或力的方法，在所述方法中，通過檢測所述至少一個扭轉梁(12)的電阻變化，確定作用在所述振動質量塊(11)上的慣性量或力的大小，其中，為了檢測電阻變化考慮所述扭轉梁(12)的整個橫截面。
文檔編號G01P15/12GK102288787SQ20111012599
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權日2010年5月12日
發(fā)明者D·C·邁澤爾, M·恩格澤 申請人:羅伯特·博世有限公司