DE102008043753B4 - Sensor arrangement and method for operating a sensor arrangement - Google Patents

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Abstract

Sensoranordnung (1) mit einem Substrat (2) und einer seismischen Masse (3), wobei die seismische Masse (3) mittels Aufhängungsfedern (4) am Substrat (2) befestigt ist, wobei die seismische Masse (3) eine Torsionsachse (30) im Bereich der Aufhängungsfedern (4) aufweist und in Richtung eines Substratelements (2') elastisch bewegbar vorgesehen ist, wobei die seismische Masse (3) ein Hauptelement (3') und ein Nebenelement (3") aufweist, wobei das Hauptelement (3') mittels eines Federelements (5) mit dem Nebenelement (3") verbunden ist, wobei das Federelement (5) bei einem mechanischen Kontakt zwischen dem Nebenelement (3'') und dem Substratelement (2') aus einer Gleichgewichtslage ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass-- die Massenverteilung der seismischen Masse (3) gegenüber der Torsionsachse (30) asymmetrisch ist und das Federelement (5), das Hauptelement (3') und/oder das Nebenelement (3'') auf derjenigen Seite der Torsionsachse (30) angeordnet sind, welche eine größere Masse (3) aufweist,oder-- die maximale Erstreckung der seismischen Masse (3) senkrecht zur Torsionsachse (30) asymmetrisch ist und wobei das Federelement (5), das Hauptelement (3') und/oder das Nebenelement (3'') auf derjenigen Seite der Torsionsachse (30) angeordnet sind, welche eine größere maximale Erstreckung aufweist.Sensor arrangement (1) with a substrate (2) and a seismic mass (3), the seismic mass (3) being attached to the substrate (2) by means of suspension springs (4), the seismic mass (3) having a torsion axis (30) in the region of the suspension springs (4) and is provided to be elastically movable in the direction of a substrate element (2'), the seismic mass (3) having a main element (3') and a secondary element (3"), the main element (3' ) is connected to the secondary element (3") by means of a spring element (5), the spring element (5) being deflected from an equilibrium position when there is mechanical contact between the secondary element (3") and the substrate element (2'), characterized in that that-- the mass distribution of the seismic mass (3) is asymmetrical in relation to the torsion axis (30) and the spring element (5), the main element (3') and/or the secondary element (3'') on that side of the torsion axis (30 ) are arranged, which have a larger mass (3 ) or-- the maximum extent of the seismic mass (3) perpendicular to the torsion axis (30) is asymmetrical and the spring element (5), the main element (3') and/or the secondary element (3'') on that side the torsion axis (30) are arranged, which has a larger maximum extent.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung gemäß dem Oberbergriff des Anspruchs 1.The invention is based on a sensor arrangement according to the preamble of claim 1.

Solche Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2006 026 880 A1 ein mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einer in z-Richtung gegenüber einem Substrat auslenkbaren Schwungmasse in Form einer Wippe bekannt, wobei der mikromechanische Beschleunigungssensor eine Anschlagseinrichtung auf dem Substrat zur Begrenzung einer maximal möglichen mechanischen Auslenkung der Schwungmasse aufweist. Die Schwungmasse ist mittels einer Verankerungseinrichtung an dem Substrat derart aufgehängt, dass die Wippe eine bezüglich einer durch die Verankerungseinrichtung ausgebildeten Torsionsachse asymmetrische Geometrie aufweist. Diese asymmetrische Geometrie bewirkt ferner eine bezüglich der Torsionsachse asymmetrische Massenverteilung, so dass eine Beschleunigung des mikromechanischen Beschleunigungssensors in z-Richtung eine Auslenkung der Schwungmasse relativ zum Substrat aufgrund von Trägheitskräften erzeugt. Diese Auslenkung ist mittels Elektroden auf einer oder beiden Seiten der Torsionsachse und entsprechenden Gegenelektroden auf dem Substrat kapazitiv messbar. Vorrichtungen zur Verhinderung eines Haftenbleibens von derartigen beweglichen Elementen an feststehenden Elementen im Falle einer Berührung zwischen den beweglichen Elementen und dem feststehendem Element durch zu hohe auf die Schwungmasse wirkende Beschleunigungskräfte sind nicht vorgesehen.Such sensor arrangements are generally known. For example, from the reference DE 10 2006 026 880 A1 a micromechanical acceleration sensor with a flywheel in the form of a seesaw that can be deflected in the z-direction relative to a substrate, the micromechanical acceleration sensor having a stop device on the substrate to limit a maximum possible mechanical deflection of the flywheel. The centrifugal mass is suspended from the substrate by means of an anchoring device in such a way that the rocker has a geometry that is asymmetrical with respect to a torsion axis formed by the anchoring device. This asymmetrical geometry also causes a mass distribution that is asymmetrical with respect to the torsion axis, so that an acceleration of the micromechanical acceleration sensor in the z-direction produces a deflection of the centrifugal mass relative to the substrate due to inertial forces. This deflection can be measured capacitively by means of electrodes on one or both sides of the torsion axis and corresponding counter-electrodes on the substrate. Devices for preventing such moving elements from sticking to fixed elements in the event of contact between the moving elements and the fixed element due to excessive acceleration forces acting on the centrifugal mass are not provided.

Gattungsgemäß ist aus der DE 699 28 061 T2 ein Beschleunigungssensor bekannt, dessen bewegliche Masse verschiedene, elastisch gekoppelte Kontaktabschnitte mit unterschiedlichen Abständen zu einer Anschlagfläche aufweist, so dass bei einer schwachen Beschleunigung nur ein Kontaktabschnitt anschlägt, während die übrigen Kontaktabschnitte erst bei einer starken Beschleunigung anschlagen.Generic is from the DE 699 28 061 T2 an acceleration sensor is known, the movable mass of which has different, elastically coupled contact sections at different distances from a stop surface, so that only one contact section strikes during weak acceleration, while the other contact sections only strike during strong acceleration.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Gefahr eines Sensordefekts durch eine permanente Haftung (im Folgenden auch als „Haftenbleiben“ bezeichnet) zwischen der seismischen Masse und dem Substratelement deutlich reduziert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die seismische Masse in ein Hauptelement und ein Nebenelement unterteilt ausgebildet ist, wobei das Hauptelement und das Nebenelement über ein Federelement miteinander verbunden sind, so dass ein mechanischer Kontakt zwischen dem Nebenelement und dem Substratelement eine Auslenkung des Federelements aus seiner Gleichgewichtslage bewirkt. Die Krafteinleitung zur Auslenkung des Federelements geht dabei von dem Substratelement aus. Die Auslenkung hat zur Folge, dass eine Federkraft des Federelements derart auf das Hauptelement wirkt, dass das Hauptelement in eine von dem Substratelement weggerichtete Richtung gedrückt wird, so dass eine Bewegung des Hauptelements in Richtung des Substratelements gebremst und/oder gestoppt wird. Das Federelement stützt sich dabei über das Nebenelement von dem Substratelement ab. Besonders vorteilhaft wird somit eine Berührung zwischen dem Hauptelement und dem Substratelement verhindert. Im Falle, dass die Abbremsung zur Verhinderung der Berührung nicht ausreicht, wirkt die Federkraft während der Berührung jedoch weiterhin zunehmend auf das Hauptelement und erzeugt somit eine Kraftwirkung, welche einer möglichen Haftverbindung zwischen dem Hauptelement und dem Substratelement entgegen wirkt. Besonders vorteilhaft ist das Federelement vorzugsweise räumlich näher am Kontakt angeordnet als die Aufhängungsfedern, so dass die Kraftwirkung zur Ablösung des Hauptelements von dem Substratelement ausgehend von dem Federelement erheblich größer ist als die rücktreibende Kraftwirkung der Aufhängungsfedern, da die Kraftwirkung der Aufhängungsfedern über einen deutlich ungünstigeren insbesondere längeren Hebelarm übertragen wird. Das Federelement ist im Vergleich zu den Aufhängungsfedern bevorzugt deutlich starrer ausgeführt, so dass im „Normalbetrieb“ (d.h. keine Bewegungen der seismischen Masse derart, dass das Hauptelement dem Substratelement nahe kommt) keine Auslenkung des Federelements erfolgt und das Schwingverhalten der seismischen Masse durch das Federelement bzw. durch die Unterteilung der seismischen Masse in eine Hauptelement und ein Nebenelement gar nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird. Das Substratelement im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere einen Bereich des Substrats, einen Bereich einer mikromechanischen Funktionsschicht, eine Elektrode, einen Anschlag, ein Verkappungselement und ähnliches. Es versteht sich für einen Fachmann von selbst, dass das Substratelement nicht zwingend auf der Substratseite der seismischen Masse angeordnet sein muss. Ein mechanischer Kontakt im Sinne der vorliegenden Erfindung, wie beispielsweise zwischen dem Nebenelement und dem Substratelement, umfasst insbesondere eine unmittelbare mechanische Berührung mit einem mechanischen Kraftübertrag zwischen den entsprechenden Elementen. Das Federelement ist im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl auf der „kurzen“ Seite der Wippe, als auch auf der „langen“ Seite anzuordnen.The sensor arrangement according to the invention and the method according to the invention for operating a sensor arrangement according to the independent claims have the advantage over the prior art that the risk of a sensor defect due to permanent adhesion (hereinafter also referred to as "sticking") between the seismic mass and the substrate element is significantly reduced. This is achieved in that the seismic mass is divided into a main element and a secondary element, with the main element and the secondary element being connected to one another via a spring element, so that mechanical contact between the secondary element and the substrate element causes the spring element to be deflected from its equilibrium position causes. The introduction of force for the deflection of the spring element comes from the substrate element. The deflection results in a spring force of the spring element acting on the main element in such a way that the main element is pressed in a direction away from the substrate element, so that a movement of the main element in the direction of the substrate element is braked and/or stopped. The spring element is supported by the substrate element via the secondary element. Contact between the main element and the substrate element is thus prevented in a particularly advantageous manner. However, in the event that the deceleration is not sufficient to prevent contact, the spring force continues to act increasingly on the main element during contact and thus generates a force effect which counteracts a possible adhesive connection between the main element and the substrate element. Particularly advantageously, the spring element is preferably arranged spatially closer to the contact than the suspension springs, so that the force to detach the main element from the substrate element, starting from the spring element, is considerably greater than the restoring force of the suspension springs, since the force of the suspension springs has a significantly less favorable effect, in particular longer lever arm is transmitted. The spring element is preferably designed to be significantly more rigid than the suspension springs, so that in "normal operation" (i.e. no movements of the seismic mass such that the main element comes close to the substrate element) there is no deflection of the spring element and the vibration behavior of the seismic mass is controlled by the spring element or is not influenced at all or only insignificantly by the subdivision of the seismic mass into a main element and a secondary element. The substrate element within the meaning of the invention comprises in particular an area of the substrate, an area of a micromechanical functional layer, an electrode, a stop, a capping element and the like. It goes without saying for a person skilled in the art that the substrate element does not necessarily have to be arranged on the substrate side of the seismic mass. A mechanical contact within the meaning of the present invention, such as between the secondary element and the substrate element, includes in particular a direct mechanical contact with a mechanical force transmission between the corresponding elements. In the context of the present invention, the spring element is to be arranged both on the "short" side of the seesaw and on the "long" side.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.Advantageous configurations and developments of the invention can be found in the subclaims and the description with reference to the drawings.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer maximalen Auslenkungslage des Federelements gleichzeitig ein mechanischer Kontakt sowohl zwischen dem Hauptelement und dem Substratelement, als auch zwischen dem Nebenelement und dem Substratelement vorgesehen ist. Besonders bevorzugt wirkt auf das Hauptelement in diesem Fall sowohl eine Spannkraft des Federelements, welche sich am Substratelement abstützt, als auch eine rücktreibende Spannkraft des Aufhängungselements, welche sich am Substrat abstützt, welche das Hauptelement von dem Substratelement wegdrücken und somit die Gefahr eine dauerhaften Haftung zwischen dem Hauptelement und dem Substratelement deutlich reduzieren.According to a preferred development, it is provided that in a maximum deflection position of the spring element, mechanical contact is provided both between the main element and the substrate element and between the secondary element and the substrate element. In this case, particularly preferably, both a tensioning force of the spring element, which is supported on the substrate element, and a restoring tensioning force of the suspension element, which is supported on the substrate, act on the main element, pushing the main element away from the substrate element and thus increasing the risk of permanent adhesion between between the main element and the substrate element.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Federelement eine Biegefeder und/oder eine Torsionsfeder umfasst, so dass in vorteilhafter Weise eine Mehrzahl von verschiedenen Geometrien bei der Ausbildung der seismischen Masse realisierbar ist. Insbesondere wird somit die Integration des Federelements in verschiedene Ausbildungen der seismischen Masse in einfacher Weise möglich, so dass in besonders kostengünstiger Weise bestehenden Sensoranordnungen um das Federelement zur Verhinderung des „Haftenbleibens“ erweiterbar sind.According to a further preferred development, it is provided that the spring element comprises a bending spring and/or a torsion spring, so that a plurality of different geometries can advantageously be realized when the seismic mass is formed. In particular, the integration of the spring element in various configurations of the seismic mass thus becomes possible in a simple manner, so that existing sensor arrangements can be expanded to include the spring element to prevent “sticking” in a particularly cost-effective manner.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Federelement eine Blattfeder umfasst, wobei die Blattfeder bevorzugt in der Gleichgewichtslage im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Hauptelements ausgerichtet ist und im Auslenkungsfall zumindest teilweise aus der Haupterstreckungsebene ausgelenkt wird. Besonders vorteilhaft ist eine Blattfeder besonders bauraumkompakt und kostengünstig in die seismische Masse integrierbar.According to a further preferred development, it is provided that the spring element comprises a leaf spring, the leaf spring preferably being aligned essentially parallel to a main plane of extension of the main element in the equilibrium position and being at least partially deflected out of the main plane of extension in the event of deflection. A leaf spring can be particularly advantageously integrated into the seismic mass in a particularly compact manner and at low cost.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Federelement und/oder das Nebenelement ein Kontaktelement in Form eines Vorsprungs umfasst, wobei der Vorsprung im Wesentlichen in Richtung des Substratelements vorstehend vorgesehen ist und wobei im Auslenkungsfall eine mechanischer Kontakt zwischen dem Kontaktelement und dem Substratelement vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist das Kontaktelement auf dem Nebenelement angeordnet, wobei durch das Kontaktelement besonders vorteilhaft ein „Haftenbleiben“ vom Nebenelement am Substratelement verhindert wird. Besonders bevorzugt verjüngt sich das Kontaktelement in Richtung des Substratelements, so dass die Kontaktfläche zwischen dem Substratelement und dem Kontaktelement bei einem mechanischen Kontakt vergleichsweise klein ist und somit ein „Haftenbleiben“ unterdrückt wird.According to a further preferred development, it is provided that the spring element and/or the secondary element comprises a contact element in the form of a projection, the projection being provided essentially protruding in the direction of the substrate element and mechanical contact being provided between the contact element and the substrate element in the event of deflection is. The contact element is particularly preferably arranged on the secondary element, with the contact element particularly advantageously preventing the secondary element from “sticking” to the substrate element. The contact element particularly preferably tapers in the direction of the substrate element, so that the contact area between the substrate element and the contact element is comparatively small in the case of mechanical contact, and “sticking” is thus suppressed.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Federelement und das Nebenelement das gleiche Material umfassen und/oder dass das Federelement, das Nebenelement und/oder das Kontaktelement zumindest teilweise ein Antihaftmaterial umfassen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst eine seismische Masse mit einem Hauptelement, einem Federelement und einem Nebenelement auch eine aus einem Stück gebildete seismische Masse, welche zumindest in Teilbereichen eine gewisse Flexibilität aufweist. Beispielsweise sind das Federelement und das Nebenelement als gemeinsame Ausformung im Hauptelement, beispielsweise balken-, steg- oder zungenförmig, ausgebildet und somit besonders vorteilhaft vergleichsweise kostengünstig herzustellen. Das Federelement wird beispielsweise durch eine Schwächung des Materials des Haupt- und/oder Nebenelements hergestellt. Die Schwächung umfasst vorzugsweise eine Aussparung oder eine Materialverjüngung im Federbereich.According to a further preferred development, it is provided that the spring element and the secondary element comprise the same material and/or that the spring element, the secondary element and/or the contact element at least partially comprise an anti-adhesive material. In terms of the present invention, a seismic mass with a main element, a spring element and a secondary element also includes a seismic mass formed from one piece, which has a certain flexibility at least in partial areas. For example, the spring element and the secondary element are designed as a joint formation in the main element, for example in the form of a bar, web or tongue, and are therefore particularly advantageous to produce in a comparatively inexpensive manner. The spring element is produced, for example, by weakening the material of the main and/or secondary element. The weakening preferably comprises a cutout or a tapering of the material in the spring area.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die seismische Masse eine Torsionsachse im Bereich der Aufhängungsfedern aufweist, wobei die Massenverteilung der seismischen Masse gegenüber der Torsionsachse asymmetrisch ist oder die maximale Erstreckung der seismischen Masse senkrecht zur Torsionsachse asymmetrisch ist. Bei einer asymmetrischen Massenverteilung ist vorgesehen, dass das Federelement, das Hauptelement und/oder das Nebenelement auf derjenigen Seite der Torsionsachse angeordnet sind, welche eine größere Masse aufweist. Die Seite mit der größeren Masse wird durch eine hohe Beschleunigungskraft stärker ausgelenkt, als die andere Seite, so dass es ausreicht das Federelement auf dieser einen Seite anzuordnen und somit in vorteilhafter Weise Herstellungskosten einsparbar sind. Bei einer asymmetrischen Erstreckung der seismischen Masse ist vorgesehen, dass das Federelement, das Hauptelement und/oder das Nebenelement auf derjenigen Seite der Torsionsachse angeordnet sind, welche eine größere maximale Erstreckung aufweist. Besonders vorteilhaft wird bei einer zu starken Bewegung der seismischen Masse aus der Gleichgewichtslage heraus zunächst die bezüglich der Torsionsachse längere Seite der seismischen Masse das Substratelement berühren, so dass besonders vorteilhaft lediglich durch eine Integration des Federelements auf der längeren Seite ein „Haftenbleiben“ der seismischen Masse am Substratelement verhinderbar ist.The invention provides that the seismic mass has a torsion axis in the region of the suspension springs, with the mass distribution of the seismic mass being asymmetric relative to the torsion axis or the maximum extension of the seismic mass perpendicular to the torsion axis being asymmetric. In the case of an asymmetrical mass distribution, it is provided that the spring element, the main element and/or the secondary element are arranged on that side of the torsion axis which has a greater mass. The side with the greater mass is deflected more strongly than the other side by a high acceleration force, so that it is sufficient to arrange the spring element on this one side and manufacturing costs can thus advantageously be saved. If the seismic mass extends asymmetrically, it is provided that the spring element, the main element and/or the secondary element are arranged on that side of the torsion axis which has a larger maximum extension. In the event of excessive movement of the seismic mass out of the equilibrium position, it is particularly advantageous that the side of the seismic mass that is longer in relation to the torsion axis first touches the substrate element, so that it is particularly advantageous for the seismic mass to "stick" simply by integrating the spring element on the longer side can be prevented on the substrate element.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung, wobei im Falle eines mechanischen Kontakts zwischen dem Nebenelement und dem Substratelement das Federelement aus einer Gleichgewichtslage ausgelenkt wird, wobei gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung vorgesehen ist, dass im Auslenkungsfall mittels des Federelements eine Kraft auf das Hauptelement in Richtung einer Ausgangslage der seismischen Masse erzeugt wird. Wie oben bereits detailiert ausgeführt, wird das Federelement nur im Falle des mechanischen Kontakts zwischen dem Nebenelement und dem Substratelement ausgelenkt. Das Federelement wird daher besonders vorteilhaft lediglich im Bedarfsfall ausgelenkt, d.h. wenn die Gefahr besteht, dass auch das Hauptelement das Substratelement berührt und die Gefahr des „Haftenbleibens“ des Hauptelements an dem Substratelement besteht. In diesem Fall erzeugt die Auslenkung des Federelements eine Spannkraft, welche im Berührungsbereich das Hauptelement von dem Substratelement wegtreibt und somit das „Haftenbleiben“ löst und/oder verhindert. Im „normalen“ Betriebsmodus wird keine Auslenkung des Federelements angestrebt, so dass das Schwingungsverhalten der seismischen Masse durch das Federelement nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird. Die Gefahr eines Ausfalls oder Defekts der Sensoranordnung, hervorgerufen durch zu starke Beschleunigungen der Sensoranordnung, wird somit ausgeräumt bzw. in erheblicher Weise reduziert.Another object of the present invention is a method for operating a sensor Sensor arrangement, wherein in the event of mechanical contact between the secondary element and the substrate element, the spring element is deflected from an equilibrium position, wherein according to a further preferred development it is provided that in the event of deflection, the spring element generates a force on the main element in the direction of an initial position of the seismic mass becomes. As already explained in detail above, the spring element is only deflected in the case of mechanical contact between the secondary element and the substrate element. The spring element is therefore particularly advantageously deflected only when necessary, ie when there is a risk that the main element will also touch the substrate element and there is a risk of the main element “sticking” to the substrate element. In this case, the deflection of the spring element generates a tensioning force that drives the main element away from the substrate element in the contact area and thus releases and/or prevents it from “sticking”. In the "normal" operating mode, no deflection of the spring element is aimed at, so that the vibration behavior of the seismic mass is not influenced by the spring element, or only insignificantly. The risk of a failure or defect in the sensor arrangement, caused by excessive acceleration of the sensor arrangement, is thus eliminated or significantly reduced.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description.

Figurenlistecharacter list

Es zeigen

  • 1a und 1b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik,
  • 2a, 2b und 2c eine schematische Draufsicht und zwei schematische Seitenansichten einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 3a und 3b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 4a und 4b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • 5a, 5b und 5c eine schematische Draufsicht und zwei schematische Seitenansichten einer Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Show it
  • 1a and 1b a schematic top view and a schematic side view of a sensor arrangement according to the prior art,
  • 2a , 2 B and 2c a schematic top view and two schematic side views of a sensor arrangement according to a first embodiment of the present invention,
  • 3a and 3b a schematic top view and a schematic side view of a sensor arrangement according to a second embodiment of the present invention,
  • 4a and 4b a schematic plan view and a schematic side view of a sensor arrangement according to a third embodiment of the present invention and
  • 5a , 5b and 5c a schematic top view and two schematic side views of a sensor arrangement according to a fourth embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den Figuren sind gleiche Elemente stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the figures, the same elements are always provided with the same reference symbols and are therefore usually named or mentioned only once.

In den 1a und 1b sind eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 ein Substrat 2 und eine seismische Masse 3 aufweist. Die seismische Masse 3 ist als z-sensitiven Wippenstruktur ausgeführt, d.h. die seismische Masse 3 ist mittels Aufhängungsfedern 4 am Substrat 2 derart elastisch befestigt, dass die seismische Masse 3 gegenüber dem Substrat 2 um eine Torsionsachse 30 verkippbar ist, wobei die seismischen Masse 3 eine ersten Seite 50 auf einer ersten Seite der Torsionsachse 30 und eine der ersten Seite 50 gegenüberliegende zweite Seite 51 aufweist, wobei die zweite Seite 51 senkrecht zur Torsionsachse 30 und parallel zum Substrat 2 eine deutlich größere maximale Erstreckung 52 aufweist. Das Material der seismischen Masse 3 ist im Wesentlichen auf beiden Seiten der Torsionsachse 30 identisch, so dass durch die größere maximale Erstreckung 52 der zweiten Seite 51 die seismische Masse 3 bezüglich der Torsionsachse 30 eine asymmetrische Massenverteilung aufweist. Dies hat zur Folge, dass bei einer Beschleunigung der Sensoranordnung 1 senkrecht zum Substrat 2, d.h. parallel zur z-Richtung, die seismische Masse 3 aufgrund ihrer Massenträgheit ein Drehmoment um die Torsionsachse 3 erfährt, so dass sich der Abstand zwischen der ersten Seite 50 und dem Substrat 2 und der zweiten Seite 51 und dem Substrat 2 verändert. Diese Abstandsänderung wird vorzugsweise mittels nicht eingezeichneten Elektroden auf der ersten Seite 50 und/oder der zweiten Seite 51 und entsprechenden nicht eingezeichneten Gegenelektroden auf dem Substrat 2 kapazitiv gemessen und ist somit ein Maß für die Beschleunigung der Sensoranordnung 1 in z-Richtung. Bei einer zu starken Beschleunigung besteht nun die Gefahr, dass die zweite Seite 51 der seismischen Masse 3 das Substrat 2 bzw. ein Substratelement 2' berührt und am Substrat 2 bzw. am Substratelement 2' haften bleibt. Dieses „Haftenbleiben“ führt nachteiligerweise zu einem Totalausfall der Sensoranordnung 1, da die seismische Masse 3 in diesem Fall nicht mehr beweglich ist.In the 1a and 1b a schematic top view and a schematic side view of a sensor arrangement 1 according to the prior art are shown, the sensor arrangement 1 having a substrate 2 and a seismic mass 3 . The seismic mass 3 is designed as a z-sensitive seesaw structure, ie the seismic mass 3 is elastically attached to the substrate 2 by means of suspension springs 4 in such a way that the seismic mass 3 can be tilted relative to the substrate 2 about a torsion axis 30, the seismic mass 3 having a first side 50 on a first side of the torsion axis 30 and a second side 51 opposite the first side 50, the second side 51 having a significantly greater maximum extension 52 perpendicular to the torsion axis 30 and parallel to the substrate 2. The material of the seismic mass 3 is essentially identical on both sides of the torsion axis 30 , so that the seismic mass 3 has an asymmetric mass distribution with respect to the torsion axis 30 due to the greater maximum extent 52 of the second side 51 . As a result, when the sensor arrangement 1 is accelerated perpendicularly to the substrate 2, ie parallel to the z-direction, the seismic mass 3 experiences a torque about the torsion axis 3 due to its mass inertia, so that the distance between the first side 50 and the substrate 2 and the second side 51 and the substrate 2 changed. This change in distance is preferably measured capacitively by means of electrodes not shown on first side 50 and/or second side 51 and corresponding counter-electrodes on substrate 2, not shown, and is therefore a measure of the acceleration of sensor arrangement 1 in the z-direction. If the acceleration is too strong, there is a risk that the second side 51 of the seismic mass 3 will touch the substrate 2 or a substrate element 2' and will stick to the substrate 2 or the substrate element 2'. This “sticking” disadvantageously leads to a total failure of the sensor arrangement 1 since the seismic mass 3 can no longer be moved in this case.

In den 2a, 2b und 2c sind eine schematische Draufsicht und zwei schematische Seitenansichten einer Sensoranordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 ähnlich der in 1a und 1b illustrierten Sensoranordnungen ist, wobei die seismische Masse 3 auf der zweiten Seite 51 ein Hauptelement 3', ein Nebenelement 3" und ein Federelement 5 umfasst. Das Federelement 5 ist beispielhaft als Torsionsfeder 5' und das Nebenelement 3" als ein u-förmiger Bügel ausgebildet, wobei der Bügel an seinen Schenkelenden über die Torsionsfeder 5' an dem Hauptelement 3' derart befestigt ist, dass eine Auslenkung des Bügels bzw. des Nebenelements 3" um eine durch die Torsionsfeder 5' gebildeten Drehachse 50 (parallel zur Torsionsachse 30) relativ zum Hauptelement 3' ermöglicht wird. In der Gleichgewichtslage der Torsionsfeder 5' ist der Bügel im Wesentlichen parallel zur einer Haupterstreckungsebene des Hauptelements 3', während im Auslenkungsfall die Haupterstreckung des Bügels von der Haupterstreckungsebene des Hauptelements 3' abweicht. Diese Auslenkung des Nebenelements 3" aus der Haupterstreckungsebene des Hauptelements 3' ist in 2c illustriert und erfolgt bei einer großen Auslenkung der seismischen Masse 3 aus der Ausgangslage, welche in 2b dargestellt ist, durch einen mechanischen Kontakt zwischen dem Nebenelement 3" und dem Substrat 2 bzw. dem Substratelement 2', wobei im vorliegenden Fall das Substratelement 2' rein beispielhaft ein Teil des Substrats 2 ist. Die in 2c illustrierte Auslenkung der seismischen Masse 3 ist so groß, dass auch das Hauptelement 3' das Substratelement 2' berührt. Von dem ausgelenkten Federelement 5 bzw. der ausgelenkten Torsionsfeder 5' geht jedoch eine Spannkraft auf das Hauptelement 3' aus, welche das Hauptelement 3' von dem Substratelement 2' wegtreibt. Diese Spannkraft ist dabei vorzugsweise deutlich größer als die rücktreibende Kraft der Aufhängungsfeder 4. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Hebelarm des Federelement 4' zur Erzeugung einer rücktreibenden Spannkraft auf das Hauptelement 3' deutlich günstiger ist, als der Hebelarm der Aufhängungsfedern 4, da das Nebenelement 3" parallel zur Haupterstreckungsebene des Hauptelement 3' deutlich kürzer als das Hauptelement 3' ist (ungefähr halb so lang). Die Summe der rücktreibenden Kräfte ausgehend von dem Federelement 5 und den Aufhängungsfedern 4 ist derart groß, dass die Gefahr des „Haftenbleibens“ des Hauptelements 3' am Substratelement 2' ausgeräumt oder wenigstens in erheblicher Weise reduziert wird. In dem Kontaktbereich zwischen dem Nebenelement 3" und dem Substratelement 2' im Auslenkungsfall ist ferner ein Kontaktelement 6 angeordnet, welches die Gefahr eines „Haftenbleiben“ des Nebenelements 3" am Substratelement 2' unterdrückt, wobei das Kontaktelement 6 dazu in Richtung des Substratelements 2' eine Verjüngung aufweist.In the 2a , 2 B and 2c 1 are a schematic top view and two schematic side views of a sensor arrangement 1 according to a first embodiment of the present invention Invention shown, wherein the sensor arrangement 1 similar to that in 1a and 1b illustrated sensor arrangements, wherein the seismic mass 3 on the second side 51 comprises a main element 3', a secondary element 3" and a spring element 5. The spring element 5 is designed, for example, as a torsion spring 5' and the secondary element 3" as a U-shaped bracket , whereby the bracket is attached at its leg ends to the main element 3' via the torsion spring 5' in such a way that a deflection of the bracket or the secondary element 3" about an axis of rotation 50 formed by the torsion spring 5' (parallel to the torsion axis 30) relative to the main element 3' is made possible. In the equilibrium position of the torsion spring 5', the bracket is essentially parallel to a main extension plane of the main element 3', while in the case of deflection the main extension of the bracket deviates from the main extension plane of the main element 3'. This deflection of the secondary element 3" from the main extension plane of the main element 3 'is in 2c illustrated and takes place with a large deflection of the seismic mass 3 from the initial position, which in 2 B is shown, by a mechanical contact between the secondary element 3 "and the substrate 2 or the substrate element 2 ', wherein in the present case the substrate element 2' purely by way of example is a part of the substrate 2. The in 2c Illustrated deflection of the seismic mass 3 is so great that the main element 3 'touches the substrate element 2'. However, the deflected spring element 5 or the deflected torsion spring 5′ exerts a tensioning force on the main element 3′, which forces the main element 3′ away from the substrate element 2′. This clamping force is preferably significantly greater than the restoring force of the suspension spring 4. This is achieved, for example, in that the lever arm of the spring element 4' for generating a restoring clamping force on the main element 3' is significantly more favorable than the lever arm of the suspension springs 4, since the secondary element 3" parallel to the main plane of extension of the main element 3' is significantly shorter than the main element 3' (about half as long). The sum of the restoring forces originating from the spring element 5 and the suspension springs 4 is so great that the risk of "sticking "of the main element 3' on the substrate element 2' is eliminated or at least significantly reduced. In the contact area between the secondary element 3" and the substrate element 2' in the event of deflection, a contact element 6 is also arranged, which reduces the risk of the secondary element 3 "Suppressed on the substrate element 2 ', wherein the contact element 6 to has a taper in the direction of the substrate element 2'.

In den 3a und 3b sind eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform illustriert in den 2a, 2b und 2c identisch ist, wobei die Federelemente 5 nicht als Torsionsfeder 5', sondern zusammen mit zwei Nebenelementen 3" als Blattfedern 5" ausgebildet sind. Die Drehachse 50 des Federelements 5 ist wiederum parallel zur Torsionsachse 30 und verbindet jeweils das Nebenelement 3" von dem Hauptelement 3', wobei die Blattfeder 5' in Form einer Langfeder wie ein Biegebalken funktioniert. Das Federelement 5 und das Nebenelement 3" sind vorzugsweise aus einem Stück gefertigt und/oder umfassen das gleiche Material. Besonders bevorzugt sind das Hauptelement 3', das Nebenelement 3" und das Federelement 5 aus einem Stück und/oder aus einem Material gefertigt, wobei das Federelement 5 durch eine Schwächung im Material der seismischen Masse 3 gebildet wird.In the 3a and 3b a schematic top view and a schematic side view of a sensor arrangement 1 according to a second embodiment of the present invention are shown, the second embodiment essentially illustrating the first embodiment in FIGS 2a , 2 B and 2c is identical, the spring elements 5 not being designed as torsion springs 5', but together with two secondary elements 3" as leaf springs 5". The axis of rotation 50 of the spring element 5 is in turn parallel to the torsion axis 30 and in each case connects the secondary element 3" from the main element 3', with the leaf spring 5' in the form of a long spring functioning like a bending beam. The spring element 5 and the secondary element 3" are preferably made of made in one piece and/or consist of the same material. The main element 3', the secondary element 3'' and the spring element 5 are particularly preferably made from one piece and/or from one material, with the spring element 5 being formed by a weakening in the material of the seismic mass 3.

In den 4a und 4b sind eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritten Ausführungsform im Wesentlichen identisch zur zweiten Ausführungsform illustriert in den 3a und 3b ist, wobei das Federelement 5 mäanderförmig ausgebildet ist. Besonders bevorzugt wird durch die mäanderförmige Ausbildung des in Form einer Biegefeder 5" realisierten Federelements 5 die Federsteifigkeit des Federelements 5 reduziert.In the 4a and 4b a schematic top view and a schematic side view of a sensor arrangement 1 according to a third embodiment of the present invention are shown, the third embodiment being illustrated essentially identically to the second embodiment in FIGS 3a and 3b is, wherein the spring element 5 is designed meandering. Particularly preferably, the spring stiffness of the spring element 5 is reduced by the meandering design of the spring element 5 implemented in the form of a spiral spring 5".

In den 5a, 5b und 5c sind eine schematische Draufsicht und zwei schematische Seitenansichten einer Sensoranordnung 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die vierte Ausführungsform im Wesentlichen identisch zur ersten Ausführungsform illustriert in den 2a, 2b und 2c ist, wobei das Federelement 5 eine einzige Torsionsfeder 5''' in einer Aussparung des Hauptelements 3' umfasst, wobei das Nebenelement 3'' balkenförmig ausgebildet ist, wobei der Balken mit einem Ende mittig an der Torsionsfeder 5''' befestigt ist. Das Nebenelement 3" ist darüberhinaus im Wesentlichen steif ausgebildet.In the 5a , 5b and 5c a schematic top view and two schematic side views of a sensor arrangement 1 according to a fourth embodiment of the present invention are shown, the fourth embodiment being illustrated essentially identically to the first embodiment in FIGS 2a , 2 B and 2c wherein the spring element 5 comprises a single torsion spring 5''' in a recess of the main element 3', the secondary element 3'' being constructed in the shape of a bar, the bar being attached at one end centrally to the torsion spring 5'''. In addition, the secondary element 3" is designed to be essentially rigid.

Claims (8)

Sensoranordnung (1) mit einem Substrat (2) und einer seismischen Masse (3), wobei die seismische Masse (3) mittels Aufhängungsfedern (4) am Substrat (2) befestigt ist, wobei die seismische Masse (3) eine Torsionsachse (30) im Bereich der Aufhängungsfedern (4) aufweist und in Richtung eines Substratelements (2') elastisch bewegbar vorgesehen ist, wobei die seismische Masse (3) ein Hauptelement (3') und ein Nebenelement (3") aufweist, wobei das Hauptelement (3') mittels eines Federelements (5) mit dem Nebenelement (3") verbunden ist, wobei das Federelement (5) bei einem mechanischen Kontakt zwischen dem Nebenelement (3'') und dem Substratelement (2') aus einer Gleichgewichtslage ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass -- die Massenverteilung der seismischen Masse (3) gegenüber der Torsionsachse (30) asymmetrisch ist und das Federelement (5), das Hauptelement (3') und/oder das Nebenelement (3'') auf derjenigen Seite der Torsionsachse (30) angeordnet sind, welche eine größere Masse (3) aufweist, oder -- die maximale Erstreckung der seismischen Masse (3) senkrecht zur Torsionsachse (30) asymmetrisch ist und wobei das Federelement (5), das Hauptelement (3') und/oder das Nebenelement (3'') auf derjenigen Seite der Torsionsachse (30) angeordnet sind, welche eine größere maximale Erstreckung aufweist.Sensor arrangement (1) with a substrate (2) and a seismic mass (3), the seismic mass (3) being attached to the substrate (2) by means of suspension springs (4), the seismic mass (3) having a torsion axis (30) in the region of the suspension springs (4) and is provided to be elastically movable in the direction of a substrate element (2'), the seismic mass (3) having a main element (3') and a secondary element (3") points, the main element (3') being connected to the secondary element (3") by means of a spring element (5), the spring element (5) being in mechanical contact between the secondary element (3'') and the substrate element (2') is deflected from an equilibrium position, characterized in that -- the mass distribution of the seismic mass (3) is asymmetrical in relation to the torsion axis (30) and the spring element (5), the main element (3') and/or the secondary element (3'' ) are arranged on that side of the torsion axis (30) which has a greater mass (3), or -- the maximum extension of the seismic mass (3) perpendicular to the torsion axis (30) is asymmetrical and the spring element (5), the The main element (3') and/or the secondary element (3'') are arranged on that side of the torsion axis (30) which has a greater maximum extent. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer maximalen Auslenkungslage des Federelements (5) gleichzeitig ein mechanischer Kontakt sowohl zwischen dem Hauptelement (3') und dem Substratelement (2'), als auch zwischen dem Nebenelement (3") und dem Substratelement (2') vorgesehen ist.Sensor arrangement (1) after claim 1 , characterized in that in a maximum deflection position of the spring element (5) there is simultaneous mechanical contact both between the main element (3') and the substrate element (2') and between the secondary element (3") and the substrate element (2'). is provided. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5) eine Biegefeder und/oder eine Torsionsfeder umfasst.Sensor arrangement (1) after claim 1 , characterized in that the spring element (5) comprises a bending spring and / or a torsion spring. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5) eine Blattfeder umfasst, wobei die Blattfeder bevorzugt in der Gleichgewichtslage im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Hauptelements (3') ausgerichtet ist und im Auslenkungsfall zumindest teilweise aus der Haupterstreckungsebene ausgelenkt wird.Sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the spring element (5) comprises a leaf spring, wherein the leaf spring is preferably aligned essentially parallel to a main extension plane of the main element (3') in the equilibrium position and is at least partially aligned in the event of deflection the main extension plane is deflected. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5) und/oder das Nebenelement (3") ein Kontaktelement (6) in Form eines Vorsprungs umfasst, wobei der Vorsprung im Wesentlichen in Richtung des Substratelements (2') vorstehend vorgesehen ist und wobei im Auslenkungsfall ein mechanischer Kontakt zwischen dem Kontaktelement (6) und dem Substratelement (2') vorgesehen ist.Sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the spring element (5) and/or the secondary element (3") comprises a contact element (6) in the form of a projection, the projection essentially pointing in the direction of the substrate element (2nd ') is provided above and wherein a mechanical contact between the contact element (6) and the substrate element (2') is provided in the event of deflection. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (5) und das Nebenelement (3") das gleiche Material umfassen und/oder dass das Federelement (5), das Nebenelement (3") und/oder das Kontaktelement (6) zumindest teilweise ein Antihaftmaterial umfassen.Sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the spring element (5) and the secondary element (3") comprise the same material and/or that the spring element (5), the secondary element (3") and/or the Contact element (6) at least partially comprise a non-stick material. Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines mechanischen Kontakts zwischen dem Nebenelement (3") und dem Substratelement (2') das Federelement (5) aus einer Gleichgewichtslage ausgelenkt wird.Method for operating a sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that in the event of mechanical contact between the secondary element (3") and the substrate element (2'), the spring element (5) is deflected from an equilibrium position. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Auslenkungsfall mittels des Federelements (5) eine Kraft auf das Hauptelement (3) in Richtung einer Ausgangslage der seismischen Masse (3) erzeugt wird.procedure after claim 7 , characterized in that in the case of deflection by means of the spring element (5) a force is generated on the main element (3) in the direction of an initial position of the seismic mass (3).
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