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
Solche Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
Gattungsgemäß ist aus der
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
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1a und1b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik, -
2a ,2b und2c eine schematische Draufsicht und zwei schematische Seitenansichten einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
3a und3b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
4a und4b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und -
5a ,5b und5c eine schematische Draufsicht und zwei schematische Seitenansichten einer Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1a and1b a schematic top view and a schematic side view of a sensor arrangement according to the prior art, -
2a ,2 B and2c a schematic top view and two schematic side views of a sensor arrangement according to a first embodiment of the present invention, -
3a and3b a schematic top view and a schematic side view of a sensor arrangement according to a second embodiment of the present invention, -
4a and4b 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 and5c 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
In den
In den
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