用于微機械z傳感器的擺桿裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于微機械Z傳感器的擺桿裝置。本發(fā)明還涉及一種用于制造微 機械Z傳感器的擺桿裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于測量物理加速度的傳統(tǒng)傳感器通常具有由硅制成的微機械結(jié)構(gòu)（傳感器核） 和分析處理電子器件。能夠?qū)崿F(xiàn)在垂直于傳感器核的主平面的方向上測量加速度的傳感器 核稱作Z傳感器。這種傳感器用于機動車領(lǐng)域一一例如ESP系統(tǒng)中或移動電話領(lǐng)域中。
[0003] 例如，在博 士論文《Oberfl沒chenmikromechanik_-Sensoralselektrische TeststrukturenzurCharakterisierungihrerHerstellungsprozesse》 （Maute， Matthias;圖賓根大學(xué)；2003年）的第六章中進一步描述了所述的傳感器原理。
[0004]EP0 244 581A1公開了一種用于自動觸發(fā)乘員保護裝置的微機械傳感器。
[0005]EP0 773 443B1公開了一種微機械加速度傳感器。
[0006] 在例如在DE10 2007 060 878A1 和DE10 2009 000 167A1 中公開的所謂的 "FP功能化"的范疇內(nèi)，對于微機械加速度傳感器構(gòu)造擺桿（Wippe)，所述擺桿不僅由單個緊 湊層結(jié)構(gòu)化而且在兩個不同的硅層中結(jié)構(gòu)化。因此，可以構(gòu)成可運動的"皿狀"結(jié)構(gòu)。
[0007] 在操作加速度傳感器時，在突然過負荷的情況下（例如當(dāng)具有加速度傳感器的控 制設(shè)備掉到地面上時），質(zhì)量（Masse)和（因此）彈簧可能在垂直方向上（即向平面外）偏 移。在此，F(xiàn)P功能層的質(zhì)量可能損壞上方的電極或者也可能破壞FP功能層自身。
[0008] 為了防止以上所述情況，提出例如在DE10 116 931A1中描述的機械止擋。在其 中公開的止擋在約7ym至約10ym之后才阻止擺桿。然而，因為在所述的具有FP功能化 的技術(shù)中擺桿位于兩個電極之間并且所述兩個電極小于約2ym地彼此遠離，所以所述傳 統(tǒng)的過負荷保護不再足夠。因此，開發(fā)了附加結(jié)構(gòu)，其能夠使擺桿在止擋之前停止。在DE 10 2009 029 095A1和US8 124 895B2中公開了這種機械止擋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種具有增大的止擋加速度的微機械Z傳感器。
[0010] 根據(jù)第一方面，所述任務(wù)借助用于微機械Z傳感器的擺桿裝置解決，所述擺桿裝 置：
[0011] 具有兩個可圍繞扭轉(zhuǎn)軸線支承的、皿狀構(gòu)造的擺桿臂，其中擺桿裝置相對于扭轉(zhuǎn) 軸線非對稱地構(gòu)造；
[0012] 對于每個擺桿臂具有一個止擋區(qū)域，所述止擋區(qū)域具有至少一個第一止擋元件， 其中在每一個擺桿臂上所述止擋區(qū)域相對于擺桿裝置的傳感區(qū)域限定地增高地構(gòu)造。
[0013] 借助擺桿臂的增高的區(qū)域，可以提供更多的運動自由度并且因此提供用于具有根 據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的Z傳感器的增大的止擋加速度。通過這種方式，可以有利地提高微 機械Z傳感器的功能。
[0014] 根據(jù)第二方面，所述任務(wù)借助用于制造微機械Z傳感器的擺桿裝置的方法解決， 所述方法具有以下步驟：
[0015] 提供兩個非對稱地皿狀構(gòu)造的擺桿臂；
[0016] 如此構(gòu)造每個擺桿臂的各一個區(qū)域，使得所述區(qū)域具有至少一個第一
[0017] 止擋元件并且相對于擺桿裝置的傳感區(qū)域限定地增高地構(gòu)造。
[0018] 從屬權(quán)利要求的主題是根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的和根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實 施方式。
[0019] 擺桿裝置的一種有利擴展方案的特征在于，擺桿裝置在止擋區(qū)域中的增高的程度 基本上相應(yīng)于第一止擋元件的高度。通過這種方式，可以在考慮擺桿裝置的機械給定條件 的情況下優(yōu)化擺桿臂的運動間隙，使得由此最大程度地增大止擋加速度。
[0020] 擺桿裝置的一種有利擴展方案的特征在于，在擺桿裝置的下側(cè)上對于每個擺桿臂 在第一止擋元件和扭轉(zhuǎn)軸線之間附加地設(shè)置有至少一個第二止擋元件。通過這種方式，整 個擺桿裝置的或者整個微機械Z傳感器的耐摔強度可以有利地增大。由此，尤其保護擺桿 臂的增高的區(qū)域和擺桿裝置的傳感區(qū)域之間的敏感過渡區(qū)域免受損壞或者斷裂。
[0021] 擺桿裝置的有利擴展方案設(shè)置，將擺桿裝置的穿孔構(gòu)造為具有倒圓的角的開口或 構(gòu)造為具有倒圓的角的縫隙狀開口。由此，可以實現(xiàn)擺桿裝置的擺桿臂的增大的機械穩(wěn)健 性，因為機械應(yīng)力均勻地分布到材料上。其結(jié)果是，提供更大的物理質(zhì)量，其能夠接收更多 的機械能量。此外，通過這種方式可以有利地提供增大的電容，其可以改善Z傳感器的傳感 特性。
[0022] 擺桿裝置的另一種優(yōu)選實施方式的特征在于，擺桿裝置還具有至少一個減負荷元 件，所述至少一個減負荷元件以穿透擺桿裝置的全部層的縫隙的形式構(gòu)造。有利地，通過這 種方式方法可以更軟地并且更柔性地構(gòu)型擺桿裝置的整個結(jié)構(gòu)，其方式是，縫隙使擺桿裝 置的各個區(qū)域相互之間在機械上脫耦合。通過這種方式，可以增大擺桿裝置的機械彈性，由 此有利地進一步提高整個擺桿裝置的耐摔強度。
[0023] 擺桿裝置的有利擴展方案的特征在于，在擺桿裝置的止擋裝置的區(qū)域中和/或從 擺桿裝置的邊緣區(qū)域開設(shè)到擺桿裝置中地構(gòu)造縫隙。由此，對于縫隙盡可能地充分利用設(shè) 計可能性，其中縫隙的形狀和定位與擺桿裝置的應(yīng)用特性匹配。其結(jié)果是，由此可以有利地 影響擺桿結(jié)構(gòu)的彈性特性。
[0024] 以下借助其他特征和優(yōu)點根據(jù)多個附圖進一步描述本發(fā)明。在此，所描述的所有 特征對于自身或者以任意組合地構(gòu)成本發(fā)明的主題，與其在說明書或附圖中的描述以及與 其在權(quán)利要求書中的組合或引用無關(guān)。相同的或功能相同的元素具有相同的參考標(biāo)記。定 性地并且不按比例地制作附圖。因此，不能從附圖得出比例和量級。
【附圖說明】
[0025] 圖1以原理性橫截面視圖示出用于微機械Z加速度傳感器的傳統(tǒng)擺桿裝置；
[0026] 圖2示出用于微機械Z加速度傳感器的根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的第一實施方式；
[0027] 圖3示出傳統(tǒng)擺桿裝置與根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的一種實施方式的原理性比較；
[0028] 圖4以橫截面視圖示出根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的另一種實施方式；
[0029] 圖5示出圖4的根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的實施方式的電極區(qū)域或者傳感器區(qū)域的 原理圖；
[0030] 圖6a、6b示出根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的一種實施方式的兩個細節(jié)圖；
[0031] 圖7示出根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的一種實施方式的透視細節(jié)視圖；
[0032] 圖8示出根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的另一種實施方式的細節(jié)圖；
[0033] 圖9示出具有根據(jù)本發(fā)明的擺桿裝置的微機械Z傳感器的框圖；
[0034] 圖10示出根據(jù)本發(fā)明的方法的一種實施方式的原理性流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 圖1極其示意性地以橫截面視圖示出用于微機械Z傳感器（未示出）的傳統(tǒng)的擺 桿裝置100?？吹絻蓚€擺桿臂20、21，它們按質(zhì)量非對稱地構(gòu)造并且可圍繞扭轉(zhuǎn)軸線10扭轉(zhuǎn) 地支承，所述扭轉(zhuǎn)軸線優(yōu)選構(gòu)造為彈簧裝置。擺桿裝置100的結(jié)構(gòu)借助優(yōu)選具有限定的剛 性的彈簧裝置可轉(zhuǎn)動地或者可扭轉(zhuǎn)地支承在硅襯底上或者懸掛在所述硅襯底上。在每一個 擺桿臂20、21下方設(shè)置有凸塊狀的、由擺桿臂20、21的材料組成的止擋元件30,借助所述止 擋元件擺桿臂20、21可以在所設(shè)置的垂直加速度時止擋到電極40上。止擋元件30止擋到 電極40上時的加速度值稱作止擋加速度并且表示微機械Z傳感器的重要運行參數(shù)。在所述 的止擋加速度時實現(xiàn)止擋元件30與電極40的受控制的"進行止擋（In-Anschlag-gehen) "。 所述的止擋加速度越大，則Z傳感器的運行特性可能越好。
[0036] 由于蝕刻工藝，擺桿裝置100的在z方向上構(gòu)造的穿孔（未示出）取決于制造地 存在并且基本上完全覆蓋所述擺桿區(qū)域。
[0037] 可以看到，由于相對于彈簧裝置10的不均勻的質(zhì)量分布，擺桿臂20、21非對稱地 構(gòu)造。在擺桿臂20、21基本上等長時（幾何對稱），非對稱可以通過擺桿臂20、21的非對稱 的質(zhì)量分布一一例如通過臂20、21的不同穿孔或通過兩個擺桿臂20、21的不同厚度構(gòu)造。 但附加地或替代地，非對稱也可以通過兩個擺桿臂20、21的幾何形狀的非對稱（例如，不同 的臂長）實現(xiàn)。
[0038] 在圖1中示出了所述的通過兩個擺桿臂20、21的不同質(zhì)量實現(xiàn)的非對稱（質(zhì)量大 的擺桿臂21，質(zhì)量小的擺桿臂20)。由于垂直于擺桿裝置100的主平面作用的加速度（垂 直加速度），擺桿裝置100的結(jié)構(gòu)由于兩個擺桿臂20、21的非對稱可圍繞扭轉(zhuǎn)軸線10扭轉(zhuǎn)。 擺桿裝置100通過電子電路（未示出）保持在限定的電勢上，設(shè)置在擺桿裝置100下方的 用于測量目的的固定電極40保持在限定的另一電勢上。可看到擺桿裝置100的"皿狀"結(jié) 構(gòu)，其中在所述皿狀結(jié)構(gòu)上方設(shè)置有固定電極50。
[0039] 借助電子分析處理裝置（未示出）通過電極40、50上的電荷變化的檢測和分析處 理來探測擺桿裝置100的傾斜變化。通過這種方式，可以求取作用到微機械Z傳感器上的 垂直加速度（"在Z方向上"）。
[0040] 為了實現(xiàn)擺桿臂20、21的皿狀結(jié)構(gòu)，通常由三個功能層（未示出）一一即由位于上 方的第一功能層（所謂的EP層）、由設(shè)置在EP層和第三功能層（所謂的FP層）之間的第 二功能層（所謂的OK層）和位于下方的FP層實現(xiàn)擺桿裝置100的整個結(jié)構(gòu)。在此，在需 要時也可以取消OK層。
[0041] 在襯底中設(shè)有多個機械止擋70(所謂的"鐙（Steigbilgel) "），使得在過負荷時擺 桿結(jié)構(gòu)在限