专利名称：微机械传感器及相应的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种微机械传感器以及一种借助于这种传感器测量惯性量或力的大小的方法，所述传感器具有一个通过至少一个扭转梁悬挂在基底上的振动质量块。
背景技术：
由DE 10 2008 017 156 Al已知一种微机械加速度传感器，所述传感器具有至少一个基底、一个或多个框架以及至少一个第一振动质量块，所述框架中的至少一个第一框架借助于至少一个弹簧元件直接或间接地悬挂在基底上并且在至少一个第一加速度的作用下相对于基底偏转，所述振动质量块借助于至少一个弹簧元件悬挂在第一或者另一个框架上，并且在加速度，特别是与第一加速度不同的加速度的作用下相对于这个框架偏转。为了检测加速度，所述弹簧元件特别地具有多个压阻区域，这些压阻区域通过对相应的弹簧元件的表面进行掺杂而形成。
发明内容
根据权利要求1的本发明的传感器以及依据权利要求9的相应的测量方法实现了对压阻式传感器进一步的微型化。本发明基于压阻式块体材料的使用，由此可以不需要针对性地引入多个掺杂区域。本发明基于以下认识可以对待测量的物理量的大小和符号相互分开地进行确定。为了确定待测量的量的大小可以使用悬挂在至少一个扭转梁上的振动质量块。作用于所述振动质量块的物理量使扭转梁扭转并且通过压阻效应引起扭转梁的电阻变化。在这里，为了测量可以考虑扭转梁的整个块体，从而可以对扭转梁的整个块体进行掺杂，以形成压阻材料。由此，可以不必使传感器装置由于要适当引入多个掺杂区域而进一步形成亚结构，从而可以实现更小的尺寸。特别是对于检测垂直于其平面的加速度的ζ传感器，可以有利地应用本发明。也就是说，在此需克服以下困难所述振动质量块的与其位于同一平面内的悬挂件在ζ加速度作用于所述振动质量块时并非简单地受到拉力或压力，所以使用悬挂件的整个块体来通过压阻效应确定机械应力是有困难的。为了使ζ加速度引起振动质量块绕至少一个扭转梁的扭转轴线运动并且由此引起扭转梁的扭转，必须使所述振动质量块的重心位于扭转轴线之外。优选的是使整个振动质量块位于扭转轴线的一侧。对本发明的相应主题的有利改进方案在从属权利要求中给出。在本发明的一种优选的实施方式中，通过设置至少一个附加的弯曲梁实现作用于振动质量块的量的符号。将所述至少一个弯曲梁设置为使得振动质量块由于待测量的量的作用而引起的运动的结果是弯曲梁被压缩或者拉伸。通过这种方式，至少一个弯曲梁的整个块体可以具有压阻材料，以便通过电阻确定待测量的量的符号。在本发明的一种替代的优选的实施方式中，所述至少一个扭转梁有预应力，以便实现对待测量的物理量的符号的确定，振动质量块悬挂在所述扭转梁上。于是电阻的测量值由与预应力对应的值和由待测量的量引起的电阻变化组成。通过比较电阻测量值和与预应力对应的电阻值确定待测量的量的大小和符号。
本发明的实施例在附图中示出并且将在下面的描述中进行详细阐述。其中图1以俯视图示出了依据本发明的传感器的第一种实施例；图2以侧视图示出了依据本发明的传感器的第一种实施例；图3以立体视图示出了依据本发明的传感器的第一种实施例；图4以立体视图示出了依据本发明的传感器的第二种实施例；图5示出了在依据本发明的传感器的第一种实施例中的电流；图6以俯视图示出了依据本发明的传感器的第三种实施例；以及图7以侧视图示出了依据本发明的传感器的第三种实施例。在附图中，相同的附图标记表示相同的或者功能相同的部件。
具体实施例方式在图1中示出了从上方看的根据本发明第一种实施例的用于检测ζ加速度的传感器10的示意图。所述传感器10包括板式的振动质量块11，所述质量块通过两个扭转梁12与基底悬挂件13相连接。两个扭转梁12具有相同的尺寸并且沿一条共同的扭转轴线远离所述质量块11地延伸，该扭转轴线位于板11的一个横向面上，从而使所述振动质量块11的重心位于扭转轴线之外，并且该扭转轴线垂直于板11的两个纵向面延伸。相反地，这种装置也可以被看作一个扭转梁12，所述振动质量块11从该扭转梁的中间区域以直角突出。扭转梁12在χ、y、ζ方向上尽可能抗弯，但是沿扭转轴线能够柔性扭转。由此，将传感器对χ或 y方向的灵敏度保持在很小的范围内。根据第一种优选的实施例，所述传感器10此外还具有两个弯曲梁14，所述振动质量块11通过所述弯曲梁与基底悬挂件15连接。也可以想到的是，可以使用一个或两个以上的弯曲梁。两个弯曲梁14均沿垂直于扭转轴线的方向延伸。所述基底悬挂件13和15 本身又被锚固在在图中未示出的基底中。图2是从侧面看的根据本发明的第一种优选实施例的传感器10的示意图。从图2可以看出，所述弯曲梁14在传感器10的初始位置平行于板11的延伸方向延伸。特别的是，所述弯曲梁14的底面与板11的底面共面。此外，所述弯曲梁14比板11 明显更�。佣顾鐾淝河氚�11连接的区域位于扭转轴线的下面，所述振动质量块11 可绕所述轴线运动。所述弯曲梁14也可以被设置在更低的位置，从而使弯曲梁的顶面与板 11的底面邻接。图3是依据本发明的第一种优选实施例的传感器10的示意性立体图。由图3可以更清楚地看到振动质量块11和梁12和14的相对布置。所述扭转梁 12是长方体形的，并且被布置为使得它们各自背向振动质量块11的纵向面都大致与所述振动质量块11的朝向所述扭转梁12的一面共面。此外，所述扭转梁12的高度相当于板11的厚度，从而使得所述扭转梁12的顶面和底面分别位于经过板11的顶面和底面的平面内。根据所述优选的实施例，所述振动质量块11和扭转梁12由一个外延生长多晶硅层制成，其厚度优选的是在10和20 μ m之间。所述弯曲梁14由另一个多晶硅层制成，其厚度优选的是在500nm和2μπι之间。通过这种方式，这两层可以相互独立进行构造。在制造压阻材料时这两层可以被均勻地掺杂，这使得制造特别简化。然而也可以仅对梁12和14 进行掺杂。图4是根据本发明第二种优选实施例的传感器10’的示意性立体图。所述传感器10’与传感器10的区别在于弯曲梁14’的位置。振动质量块11和扭转梁12的布置与本发明的第一种实施例的布置相符。与此相反的是，在传感器10’中，弯曲梁14’不是位于经过板11的平面中，而是垂直于该平面。通过这种方式，所述振动质量块11在ζ方向的加速度直接使弯曲梁14’被压缩或拉伸。现在借助于图5并借助于依据第一种优选实施例的传感器10，对本发明的传感器的两种优选实施方式的工作原理进行阐述。图5以示意图的形式示出了传感器10的俯视图，其中，画出了电流路径。在图5中以Il表示的箭头示出了流过扭转梁12的电流，而由12表示的箭头示出了流过弯曲梁14的电流。若所述振动质量块11受到ζ方向的加速度，即垂直于其延伸方向的加速度，则由此产生围绕扭转轴线的扭矩，因为质量块11的重心位于扭转轴线之外。由此，所述梁12被扭转，这导致内部的机械应力，从而引起电阻变化。由于扭转与方向无关地总会产生剪切应力，通过电流流径Il测量的电阻值给出关于ζ加速度的大小的信息。为了此外还可以确定ζ加速度的符号，还通过电流流径12检测弯曲梁14的电阻，所述弯曲梁通过振动质量块11的运动而被压缩或拉伸。于是可以通过时分复用技术交替地检测ζ加速度的大小和符号。图6是从上方看的根据本发明的第三种优选实施例的用于检测ζ加速度的传感器 20的示意图。根据本发明的第三种实施例的传感器20与传感器10和10’的区别在于，不需要弯曲梁。但是该传感器同样地包括板式的振动质量块21，所述质量块通过两个扭转梁22与基底悬挂件23连接。振动质量块21和扭转梁22的基本结构与前面的实施例的基本结构相符。图7是从侧面看的根据本发明的第三种优选实施例的传感器20的示意图。由图7可见，所述振动质量块21在初始状态下已经发生伴随着梁22的预应力出现的偏转。梁22的这个预应力用于确定作用在质量块21上的ζ加速度的符号。在有预应力的扭转梁22中，在沿所述振动质量块21预偏转的方向偏转时，则机械应力增大；在沿相反的方向偏转时，则机械应力减小。通过在测量所述扭转梁22的电阻时从测量值中减去与由预应力产生的电阻相对应的偏差，可以同时测量ζ加速度的符号和大小，其中，为了测量所述扭转梁的电阻，在所述基底悬挂23施加电压。在这里，测量范围局限于与预偏转相反的方向，直到机械应力消失的时刻。本发明是借助于ζ加速度传感器进行描述的。然而本发明也可以被应用在其他传感器上，例如角速度传感器或力传感器。
权利要求
1.一种微机械传感器，该传感器包括至少一个基底和一个通过至少一个扭转梁(12) 悬挂在基底上的振动质量块(11)，用于测量作用在所述振动质量块(11)上的物理量，其特征在于，为了形成压阻材料，至少是所述至少一个扭转梁(12)的整个块体都被掺杂。
2.按照权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器(10)用于测量惯性量，特别是ζ加速度。
3.按照权利要求1或2所述的微机械传感器，其特征在于，所述振动质量块(11)和所述至少一个扭转梁(12)由硅构成并且至少是所述至少一个扭转梁(12)被均勻地掺杂。
4.按照上述权利要求中的任意一项所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器 (10)通过所述至少一个扭转梁(12)的电阻变化表示用于衡量待测量的量的大小的尺度。
5.按照权利要求4所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器(10)此外还具有至少一个用于确定待测量的量的符号的弯曲梁(14)，其中，所述弯曲梁(14)在所述振动质量块(11)运动时被压缩或拉伸。
6.按照权利要求5所述的微机械传感器，其特征在于，所述至少一个弯曲梁(14)位于一个与处于初始位置的所述振动质量块(11)的延伸方向相平行且与所述至少一个扭转梁 (12)的扭转轴线相间隔的平面中，其中，所述弯曲梁(14)沿垂直于所述扭转轴线的方向延伸。
7.按照权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器(10)正好具有两个相互平行设置的弯曲梁(14)。
8.按照权利要求4所述的微机械传感器，其特征在于，所述至少一个扭转梁有预应力， 以确定待测量的量的符号。
9.借助于一种微机械传感器(10)测量惯性量或力的方法，在所述传感器中，一个振动质量块(11)借助于至少一个扭转梁(12)悬挂在基底上，所述方法具有下列步骤通过检测所述至少一个扭转梁(12)的电阻变化，确定作用在所述振动质量决(11)上的惯性量或力的大�。渲校思觳獾缱璞浠悸撬雠ぷ�(1 的整个横截面。
10.按照权利要求9所述的方法，其中，所述传感器(10)此外还至少具有一个弯曲梁 (14)，所述弯曲梁(14)在所述振动质量块(11)运动时被压缩或拉伸并且所述惯性量或力的符号通过检测所述弯曲梁(14)的电阻变化被确定。
11.按照权利要求10所述的方法，其中，通过时分复用技术交替地检测惯性量或力的大小和符号。
12.按照权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个扭转梁(12)有预应力，并且为了确定作用在所述振动质量块(11)上的惯性量或力的大小和符号，将所述至少一个扭转梁 (12)的电阻测量值与和预应力相对应的电阻值进行比较。
全文摘要
本发明涉及一种微机械传感器及相应的测量方法。本发明提供一种微机械传感器，该传感器包括至少一个基底和一个通过至少一个扭转梁(12)悬挂在基底上的振动质量块(11)，用于测量作用在所述振动质量块(11)上的物理量，其中，为了形成压阻材料，至少是所述至少一个扭转梁(12)的整个块体都被掺杂。本发明还提供一种借助于这种传感器测量惯性量或力的方法，在所述方法中，通过检测所述至少一个扭转梁(12)的电阻变化，确定作用在所述振动质量块(11)上的惯性量或力的大小，其中，为了检测电阻变化考虑所述扭转梁(12)的整个横截面。
文档编号G01P15/12GK102288787SQ20111012599
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月12日
发明者D·C·迈泽尔, M·恩格泽 申请人:罗伯特·博世有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
