MEMS傳感器和用于補償MEMS傳感器中的系統性測量偏差的方法與流程

本發明涉及一種mems傳感器(mems：mikroelektromechanisches?system,mikrosystem微機電系統，微系統)，例如mems慣性傳感器或mems加速度傳感器。本發明還涉及一種用于補償在mems傳感器中典型地出現的系統性測量偏差的方法。

背景技術：

1、加速度傳感器經常構造成電容式傳感器。電容式加速度傳感器的振動質量可以構造為不對稱搖桿。例如在ep?0773?443a1中描述了一種微機械加速度傳感器，該傳感器帶有構造為不對稱搖桿的振動質量。從de?10?2020205?616a1中可知一種帶有傳感器裝置的加速度傳感器，該傳感器裝置生成與運動質量的位置相關的測量信號。該傳感器裝置例如可以具有一共四個上下電極，其中，上電極與下電極尤其成對地互相電連接，使得可以檢測和評價與第一電容和第二電容之間的差相應的差分信號。

技術實現思路

1、基于該背景技術，本發明的任務是，提供一種改進的mems傳感器以及一種改進的用于補償mems傳感器中的系統性測量偏差的方法。

2、上述任務通過本發明來解決。本發明的有利構型方案在本文中詳細說明。

3、mems傳感器，特別是mems加速度傳感器或者mems慣性傳感器，具有：具有主延伸平面的襯底、相對于襯底可運動地懸掛的振動質量和用于檢測與振動質量相對于襯底的位置相關的測量信號的傳感器裝置。根據本發明，除了傳感器裝置外附加地設置至少兩個諧振器，所述諧振器以相對于襯底在垂直于主延伸平面地延伸的z方向上可彈性運動的方式懸掛。為此，至少兩個諧振器在構型方案中例如彈性懸掛在振動質量上或者在與襯底固定連接的錨接部上。可操控的電極組件構造為用于，將至少兩個諧振器中的每個諧振地、尤其相應于諧振器的諧振頻率地激勵，并且電容式地檢測與被諧振激勵的諧振器的諧振頻率相關的干擾量。為了操控電極組件，電極組件可以與控制和分析評價單元連接，該控制和分析評價單元還構造為用于，根據檢測到的干擾量補償在傳感器裝置的測量信號中的系統性測量偏差。

4、被激勵的諧振器的諧振頻率尤其由于靜電彈簧軟化效應(英語：electrostaticspring?softening?effect)而與襯底的機械扭曲或者說形變相關，使得對干擾量的電容式檢測可以提供未知的、特別是在運行期間才出現的變形的獨立尺度。因此能夠在運行期間和/或校準期間，特別是實時地，辨識故障或確定與故障相關的干擾量，以補償傳感器裝置的測量信號中的偏差。

5、諧振頻率是通過諧振器的機械振動頻譜確定的。該mems傳感器的控制和分析評價單元構造為尤其與傳統的傳感器相比附加地用于，操控電極組件用于在相應的頻率范圍內將諧振器諧振激勵，以便激勵諧振器進行相應的諧振振動。

6、該mems傳感器，尤其是mems加速度傳感器或mems慣性傳感器，構造為用于補償系統性測量偏差。襯底在mems傳感器的層結構中形成一個層并且因此尤其代表層結構的形變，該形變由mems傳感器的制造或裝配引起或者在mems傳感器運行期間才出現。優選，所述至少兩個諧振器通過層結構的層中的槽口形成。

7、根據一個可能的實施方式，振動質量構造為可偏轉的、特別是不對稱的搖桿，該搖桿經由至少一個扭轉彈簧以可繞扭轉軸線變換位置的方式錨接在襯底上。

8、至少兩個諧振器優選在層結構的垂直于z方向(或者說平行于主延伸平面)的平面中在橫向上彼此隔開間距，使得平面平行的層組件的微小偏差也能夠可靠地被檢測到。特別優選，諧振器布置在扭轉軸線的相對的兩側上，特別是關于扭轉軸線鏡像對稱。

9、優選，每個諧振器配屬有一個驅動電極和一個探測電極，使得分別配屬的諧振器能借助驅動電極被諧振激勵，并且，與被諧振激勵的諧振器的諧振頻率相關的測量量能借助探測電極被檢測到。單獨的探測電極以有利的方式提高了檢測與被諧振激勵的諧振器的諧振頻率相關的干擾量的測量精度。

10、為了補償系統性測量偏差，諧振器優選構造為單側或雙側懸掛的結構元件，特別地基本上呈梁、指、活塞或者叉的形式。進一步優選，這些結構元件以相同方式構造，使得至少兩個諧振器，特別是在構型方案中設置的四個諧振器，基本上，因而尤其在沒有機械應力的情況下，具有相同的機械振動頻譜。

11、在電極組件的可能的構型方案中，驅動電極和探測電極布置在基本上平行于主延伸平面延伸的平面中，尤其布置在襯底上。替代地，三明治式的配置也是可行的，在這些配置中，驅動電極和探測電極彼此相對地布置在兩個基本平行于主延伸平面延伸的平面中。在這種配置中，諧振器布置在驅動電極和探測電極之間并且與這些電極在z方向上隔開間距。

12、在構型方案中，設置至少三個、優選四個諧振器，這些諧振器在垂直于堆垛方向的平面中在偏離共線布置的布置中在橫向上彼此隔開間距。換言之，這些諧振器在該平面中如此布置，使得襯底的表面曲率在主延伸平面中、特別在x方向和y方向上是可檢測的。

13、為了產生傳感器裝置的測量信號，關于至少一個空間方向、例如關于z方向電容式檢測可運動質量的位置。諧振器例如彈性固定在mems傳感器的振動質量上，使得諧振器的運動與振動質量的運動相關聯。

14、在用于補償mems傳感器的系統性測量偏差的方法中，至少兩個諧振器借助已經描述的電極組件被激勵產生機械諧振振動，并且電容式檢測與諧振振動的諧振頻率相關的干擾量。根據檢測到的干擾量補償傳感器裝置的測量信號中的系統性測量偏差。

15、與被諧振激勵的諧振器的諧振頻率相關的測量量由于靜電彈簧軟化效應(英語：electrostatic?spring?softening?effect)而特別是與諧振器相對于襯底的間隙或者說偏轉的大小相關，特別是與襯底的與諧振器位置有關的可能變形相關。檢測到的干擾量因此提供了合適于補償輸出信號的信號，該信號也包括未知起源的干擾量，這些干擾量在可能的情況下在mems傳感器安裝時和/或在mems傳感器運行期間才會出現。

16、優選地，借助檢測到的干擾量模擬地或數字地補償在mems傳感器的輸出信號中的系統性測量偏差。

17、進一步優選，為了諧振器的諧振激勵，對應電極組件、尤其對驅動電極施加脈沖的或持續的激勵信號，特別是諧波激勵信號或者帶有時變頻率的激勵信號。

18、本發明的其他細節和優點在下面根據在附圖中描述的實施例來詳細解釋。附圖中：

19、圖1a到1c示出用于描述加速度傳感器的一個橫截面和兩個俯視圖；

20、圖2示出通過圖1a到1c的加速度傳感器的橫截面，用于描述加速度傳感器的功能方式；

21、圖3示出通過圖1a到1c的加速度傳感器的橫截面，在在加速度傳感器上施加了機械應力的情況下；

22、圖4以示意性剖視圖示意性示出mems傳感器的機械作用原理，該mems傳感器構造為用于補償系統性測量偏差，基于兩個被諧振激勵的諧振器；

23、圖5以示意性剖視圖示出圖4的機械作用原理的細節；

24、圖6a到6d示例性示出不同的配置，這些該配置可基于前述機械作用原理檢測；

25、圖7以透視圖示出在mems傳感器的層復合體中的諧振器的實現；

26、圖8以剖視圖示出圖7的諧振器；

27、圖9以俯視圖示出圖7的諧振器；

28、圖10以俯視圖示出構造為用于補償系統性測量偏差的mems傳感器的另一實施例；

29、圖11一剖視圖示出圖10的mems傳感器；

30、圖12以透視圖示出圖10的mems傳感器；

31、圖13以細節圖示出圖10的mems傳感器的諧振器；

32、圖14以細節圖示出mems傳感器的背面，具有用于電接觸的通道結構；

33、圖15以俯視圖示出mems傳感器的另一實施例；

34、圖16以俯視圖示出在mems傳感器的層復合體中的諧振器的另一種實現；

35、圖17以剖視圖示出圖16的諧振器；

36、圖18以透視圖示出圖16的諧振器；

37、圖19以側視圖示出圖16的諧振器；