[發(fā)明專(zhuān)利]具有梳形電極的加速度傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200780047165.2
• 申請(qǐng)日: 2007-10-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101563616A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·克拉森;M·海茨;F·本尼尼
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01P15/125
• 分類(lèi)號(hào): G01P15/125;G01P15/08
• 代理公司: 永新專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 侯鳴慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有梳形電極的微機(jī)械電容式加速度傳感器，該加速度傳感器以特別小的零點(diǎn)誤差為特點(diǎn)。

背景技術(shù)

在制造微機(jī)械加速度傳感器時(shí)，通過(guò)在基底上依次進(jìn)行沉積步驟和結(jié)構(gòu)化步驟而實(shí)現(xiàn)活動(dòng)結(jié)構(gòu)，它是機(jī)械式彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，其中在出現(xiàn)加速度時(shí)至少一個(gè)慣性質(zhì)量塊克服已知的復(fù)位力相對(duì)于基底偏移。在此，電容式傳感器的原理基于：不僅包括與慣性質(zhì)量塊連接的電極而且包括與基底連接的電極，這些電極在電路技術(shù)方式上組合成電容器并且在慣性質(zhì)量塊偏移的情況下相互間實(shí)施與慣性質(zhì)量塊的偏移相應(yīng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中，通過(guò)電極構(gòu)成的電容器的電容作為慣性質(zhì)量塊偏移的盡可能單值的函數(shù)變化。該電容變化通過(guò)電路技術(shù)方式獲得和分析計(jì)算并且能夠計(jì)算出現(xiàn)的加速度。電極優(yōu)選設(shè)計(jì)成平板電容器，其中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的傳感器幾何形狀要么基于對(duì)電極之間的距離變化進(jìn)行分析計(jì)算，要么基于對(duì)重疊區(qū)域的大小變化進(jìn)行分析計(jì)算。在距離變化dx取決于加速度的情況下，由加速度產(chǎn)生的電容變化通過(guò)dC/C≈dx/x₀給出，其中C表示總電容，即裝置的靜態(tài)電容加上寄生電容，并且x₀相應(yīng)于電極之間的靜態(tài)距離。在重疊區(qū)域的大小只隨著重疊長(zhǎng)度變化的情況下，由慣性質(zhì)量塊的加速度或偏移dx產(chǎn)生的電容變化由dC/C≈dx/l₀給出，其中C仍然表示總電容，并且l₀相應(yīng)于電極在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的重疊長(zhǎng)度。

加工過(guò)程或者隨之而來(lái)的負(fù)荷、尤其是熱負(fù)荷可能導(dǎo)致基底變形，該基底變形可能與各個(gè)與基底連接的結(jié)構(gòu)元件之間的相應(yīng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)。在這點(diǎn)上特別不利的是與慣性質(zhì)量塊連接的電極相對(duì)于直接與基底連接的電極的零點(diǎn)偏移dx₀，這導(dǎo)致不期望的偏置信號(hào)，這些偏置信號(hào)表現(xiàn)出與dx₀/x₀或dx₀/l₀成比例的特性。

已知的是，通過(guò)在緊密相鄰的固定區(qū)域中實(shí)現(xiàn)各個(gè)可相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)元件和基底之間的連接來(lái)減少這一問(wèn)題(DE?196?39?946?A1)。但是，該解決方案與在固定區(qū)域和被固定的結(jié)構(gòu)元件之間相對(duì)較長(zhǎng)的連接梁有關(guān)，這導(dǎo)致裝置的空間需求高并且不利地降低裝置剛性。此外，該解決方案只涉及一種加速度傳感器，在該加速度傳感器中電極的運(yùn)動(dòng)相互垂直地進(jìn)行，也就是說(shuō)零點(diǎn)誤差與dx₀/x₀成比例。因?yàn)闉榱嗽谶@種傳感器中達(dá)到足夠的靈敏度而經(jīng)常將電極之間的靜止距離x₀選擇得非常小，所以相對(duì)小的零點(diǎn)偏移dx₀就已經(jīng)會(huì)導(dǎo)致顯著的或者不可接受的偏置信號(hào)，在真實(shí)的運(yùn)行條件下，通過(guò)已知的減小固定區(qū)域到基底之間的距離也無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是，提供一種用于微機(jī)械加速度傳感器的傳感器裝置，該傳感器裝置在避免現(xiàn)有技術(shù)缺陷的情況下表現(xiàn)出零點(diǎn)誤差很小的特點(diǎn)。尤其是應(yīng)當(dāng)削弱零點(diǎn)信號(hào)與出現(xiàn)的基底變形的關(guān)系。

該目的通過(guò)具有權(quán)利要求1特征的微機(jī)械加速度傳感器實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求2至10涉及按照本發(fā)明的加速度傳感器的有利設(shè)計(jì)方案。

本發(fā)明的核心在于：與慣性質(zhì)量塊連接的活動(dòng)電極和與基底連接的固定電極在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為成對(duì)設(shè)置的梳形電極。所述梳形電極分別具有橫桿，電極薄片位于這些橫桿上。在此，以如下方式實(shí)現(xiàn)梳形電極的布置：梳形電極的薄片平行于慣性質(zhì)量塊的偏移方向延伸并且薄片組件的敞開(kāi)區(qū)域相互指向，由此兩個(gè)成對(duì)設(shè)置的梳形電極的薄片能夠至少部分地重疊。梳形電極在薄片的重疊區(qū)域中構(gòu)成電容器，當(dāng)重疊區(qū)域的大小變化時(shí)，這些電容器的電容變化。本發(fā)明通過(guò)一種微機(jī)械電容式加速度傳感器體現(xiàn)，該傳感器具有至少一個(gè)可偏移地與基底連接的慣性質(zhì)量塊、至少一個(gè)固定地與基底連接的電極和至少一個(gè)與慣性質(zhì)量塊連接的電極，其中，所述至少一個(gè)固定地與基底連接的電極和至少一個(gè)與慣性質(zhì)量塊連接的電極被構(gòu)造成具有平行于慣性質(zhì)量塊偏移方向延伸的薄片的梳形電極，其中，兩個(gè)梳形電極的薄片在靜止?fàn)顟B(tài)下部分重疊。

通過(guò)按照本發(fā)明使用梳形電極得到許多優(yōu)點(diǎn)，在梳形電極中通過(guò)平行延伸薄片的平行運(yùn)動(dòng)發(fā)生重疊長(zhǎng)度的變化，重疊長(zhǎng)度的變化作為慣性質(zhì)量塊偏移的尺度進(jìn)行分析計(jì)算。在這種情況下零點(diǎn)誤差通過(guò)dx₀/l₀給出。因?yàn)榛陂g距的電容器裝置的重疊長(zhǎng)度l₀可以選擇得明顯大于靜止距離x₀，所以在零點(diǎn)偏移dx₀在其它方面可相比較的情況下，與常規(guī)的傳感器裝置相比偏置信號(hào)dC/C明顯降低。