DE102009002701B4

DE102009002701B4 - Mikromechanischer Sensor

Info

Publication number: DE102009002701B4
Application number: DE102009002701.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hammer Hanno
Original assignee: Hanking Electronics Ltd
Current assignee: Hanking Electronics Hongkong Co Ltd Hk
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2029-04-29
Also published as: US9103850B2; CN102428376B; DE102009002701A1; WO2010125071A1; CN102428376A; US20120042728A1

Abstract

Mikromechanischer Sensor mit einem Substrat (5) und zumindest einer an dem Substrat (5) mit einem Anker (4) befestigten und sich relativ und parallel mit einer rotationsartigen Winkelauslenkung zu dem Substrat (5) bewegenden Masse (6) zur Ermittlung von Bewegungen des Sensors auf Grund einer dabei auftretenden Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft, wobei die Masse (6) und das Substrat (5) mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung (1) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefedereinrichtung (1) zur Verbesserung ihrer linearen Federcharakteristik einen Mehrfach-, insbesondere einen Doppelfederbalken (2), sowie an zumindest zwei, vorzugsweise jedem Federbalken (2) mindestens einen Mäander (3) aufweist, dass zumindest zwei der Federbalken (2) zwischen dem Anker (4) und der Masse (6) im Wesentlichen parallel verlaufen und der Mäander (3) eine Längserstreckung weg von dem ihm zugeordneten Federbalken (2) aufweist, so dass während der relativen Bewegung von der Masse (6) und dem Substrat (5) ein Mäander (3) zusammengedrückt und ein weiterer Mäander (3) gedehnt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor mit einem Substrat und zumindest einer an dem Substrat mit einem Anker befestigten und sich relativ und parallel mit einer rotationsartigen Winkelauslenkung zu dem Substrat bewegenden Masse zur Ermittlung von Bewegungen des Sensors aufgrund einer dabei auftretenden Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft, wobei die Masse und das Substrat mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung miteinander verbunden sind.
Mikromechanische Sensoren werden zur Ermittlung von Beschleunigungen und/oder Drehraten entlang einer bzw. um mindestens eine von drei orthogonal aufeinanderstehenden Raumachsen verwendet. Das Wirkprinzip besteht grundsätzlich darin, dass eine Sensormasse relativ zu einem Substrat als Reaktion auf die entsprechende Beschleunigung oder Drehrate des Sensors bewegt wird. Die Sensormasse ist hierfür beweglich an dem Substrat mittels einer Biegefedereinrichtung, welche in der Regel aus einer oder mehreren Biegefedern besteht, angeordnet. Die Gestaltung dieser Biegefedern ist maßgeblich dafür verantwortlich, in welche Richtungen die Sensormasse bewegbar ist. In den einzelnen Raumrichtungen sind die Federsteifigkeiten der Biegefedern unterschiedlich, um unterschiedliche Biegerichtungen mehr oder weniger zuzulassen. Diese unterschiedliche Beweglichkeit ist beeinflussbar durch eine Variation der Querschnittsfläche der Biegefeder und auch durch den räumlichen Verlauf der Biegefeder. Insbesondere bei einer mäanderförmigen Gestaltung der Biegefeder kann eine relativ hohe Elastizität in der Ebene des Mäanders erreicht werden. Die Biegefedern sind im Idealfall linear und werden in diesem Fall durch eine einzige Federkonstante charakterisiert. Linearität bedeutet, dass eine konstante, in Richtung der vorgesehenen Auslenkungsrichtung einwirkende, Kraft immer eine gleichgroße Auslenkung der Feder nach sich zieht, unabhängig davon, wie stark die Feder bereits ausgelenkt ist. Bei den Biegefedern in Sensoren des Standes der Technik ist dies aber nicht der Fall. Die Auswertung der einwirkenden Kräfte ist daher schwierig und fehlerbehaftet.
Aus der US 6 705 164 B2 und der WO 01/20259 A1 sind mikromechanische Sensoren bekannt, bei welchen Sensormassen mittels einer Biegefedereinrichtung an anderen bewegbaren Massen oder mittels eines Ankers an einem Substrat befestigt sind. Die Biegefedereinrichtung besteht aus mehreren einzelnen Biegefedern, welche Mäander aufweisen. Durch die Mäander wird eine elastische Beweglichkeit zwischen den zwei Massen oder der Masse und dem Substrat bzw. Anker erhalten. Die Mäander sind jeweils mittels kurzer Stummel an den relativ zueinander bewegbaren Bauteilen des Sensors befestigt. Die Beweglichkeit der Biegefedereinrichtung wird dabei im Wesentlichen durch die Mäander selbst, nicht aber durch die Stummel bewirkt. Nachteilig bei diesen Biegefedereinrichtungen des Standes der Technik ist, dass die Biegung der Biegefedereinrichtung bei gleicher Kraft nicht linear ausgelenkt werden kann. Dies ist besonders nachteilig, da beispielsweise bei gleicher Corioliskraft der Weg der Auslenkung der entsprechenden Sensormasse mit zunehmender Auslenkung geringer wird. Hierdurch entstehen Fehler bei der Erfassung der zugeordneten Beschleunigungs- oder Drehratenwerte bzw. es sind für deren Ausgleich aufwändige Berechnungen, welche ebenfalls die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Anzeige der Beschleunigung oder Drehrate verschlechtern, erforderlich.
Aus der US 6 954 301 B2 ist eine Biegefedereinrichtung bekannt, welche mäanderförmig nach beiden Seiten kurzer Befestigungsstummel verläuft. Die Linearität der Biegefedereinrichtung mag hierdurch zwar verbessert sein, eine kontrollierbare Steifigkeit der Biegefedereinrichtung ist allerdings nur schwer zu realisieren. Des Weiteren ist die Feder durch den s-förmigen Verlauf asymmetrisch, was schwer kontrollierbare parasitäre Effekte nach sich ziehen kann. Eine derartige Biegefedereinrichtung ist in der Regel sehr weich. Eine vorbestimmte Steifigkeit kann nur schwer in diese Biegefedereinrichtung eingebracht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen mikromechanischen Sensor zu schaffen, bei welchem eine Biegefedereinrichtung vorhanden ist, welche eine möglichst lineare Auslenkung der Biegefedereinrichtung erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem mikromechanischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Ein erfindungsgemäßer mikromechanischer Sensor weist ein Substrat auf und zumindest eine an dem Substrat angeordnete und sich relativ zu dem Substrat bewegende Masse zur Ermittlung von Linear- und/oder Drehbeschleunigungen des Sensors. Die Masse bewegt sich einerseits im Sinne einer – bei Wegfall äußerer Beschleunigungen stationären – Antriebsbewegungsform, und reagiert andererseits mit Erfassungsbewegungen, wenn Beschleunigungs- und/oder Corioliskräfte auf den Sensor wirken. Die sich bewegende Sensormasse ist an dem Substrat mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung befestigt. Die Biegefedereinrichtung ist in Form wenigstens eines Mäanders ausgestaltet.
Erfindungsgemäß weist die Biegefedereinrichtung zur Verbesserung ihres linearen Verhaltens bzw. ihrer linearen Federcharakteristik einen Mehrfach-, insbesondere einen Doppelfederbalken mit zumindest zwei im Wesentlichen parallel verlaufenden Federbalken sowie an zumindest einem, vorzugsweise jedem Federbalken mindestens einen Mäander auf.
Die erfindungsgemäß in der Biegefedereinrichtung vorgesehene Gestaltung mittels eines Mehrfachfederbalkens, welcher zumindest zwei im Wesentlichen parallel verlaufende Federbalken aufweist, erlaubt eine gezielte und vorbestimmbare Biegesteifigkeit der Biegefedereinrichtung. Die zusätzliche Anordnung von Mäandern an zumindest einem, vorzugsweise jedem der Federbalken trägt zur Linearität des Biegeverhaltens der Biegefedereinrichtung sehr vorteilhaft bei. Die erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung ist somit zumindest hinsichtlich Auslenkungen in der Ebene, in welcher die Mäander angeordnet sind, linear und gleichförmig biegbar. Erfindungsgemäß sind nicht nur Doppelfederbalken, sondern auch Mehrfachfederbalken mit mehr als zwei Federbalken möglich, auch wenn die im Folgenden insbesondere beschriebenen Doppelfederbalken besonders vorteilhaft sind. Des weiteren sind Mehrfachmäander möglich. Durch die Kombination der mehreren Federbalken, welche an der Biegung der Biegefedereinrichtung teilhaben, mit ihnen zugeordneten Mäandern wird bewirkt, dass eine derartige Federcharakteristik erhalten wird, dass die Linearität der Biegefedereinrichtung über den gesamten Bereich ihrer Auslenkungen gegeben ist.
Erfindungsgemäß verlaufen zumindest zwei der Federbalken, vorzugsweise aber alle der vorgesehenen Federbalken, im Wesentlichen parallel zueinander. Es wird hierdurch eine besonders gleichmäßige, vorgesehene Steifigkeit der Biegefedereinrichtung erzielt, welche über einen großen Biegebereich hinweg weitgehend linear auslenkbar ist. In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass einzelne der Federbalken nicht parallel, sondern beispielsweise konisch zueinander verlaufen. Auch eine gebogene Ausführung der Federbalken kann vorteilhaft sein, wodurch die Parallelität der Federbalken nicht mehr gegeben sein muss. Die jeweils günstigste Ausführung der Erfindung ist je nach Anwendungsfall und geforderter Steifigkeit der Biegefedereinrichtung zu wählen.
Ist der Mäander derart ausgebildet, dass er verrundet in den Federbalken übergeht, so sind Spannungen, welche durch eine Biegung hervorgerufen werden, gleichmäßiger und ohne unzulässiger Spitzen auch in extremen Biegesituationen zu realisieren.
Ebenso wie der Mäander verrundet in den Federbalken übergehen kann, um Spannungsspitzen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn der oder die Federbalken ebenfalls verrundet in das benachbarte Bauteil, insbesondere in die Sensormasse oder das Substrat oder einen Anker zur Befestigung an dem Substrat übergehen. Damit werden nicht nur Spannungsspitzen im Bereich des Mäanders, sondern auch in der übrigen Biegefedereinrichtung reduziert. Der verrundete Übergang kann selbstverständlich auch ohne die Verrundung an dem Mäander erfolgen.
Eine weitere Maßnahme zur Verringerung und Vergleichmäßigung der Spannungen in der Biegefedereinrichtung unter Belastung kann in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung dadurch erfolgen, dass der verrundete Übergang einen im Verlauf ungleichen, das heißt nicht konstanten Krümmungsradius aufweist. Sowohl Mäander als auch Federbalken werden hierdurch besonders schonend bezüglich ihrer Spannungen an die benachbarten Bauteile angebunden. Die Gleichmäßigkeit der Beziehung zwischen angreifender Kraft oder angreifendem Moment und resultierender Auslenkung, und die damit verbundene Genauigkeit der Messung des Sensors, werden hierdurch verbessert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der verrundete Übergang elliptisch ist. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass Spitzenspannungen in den Federn, wie sie aufgrund eines von außen einwirkenden Schockereignisses in den Sensor eingeleitet werden können, abgemildert, und Beschädigungen des Sensors hierdurch unwahrscheinlicher gemacht werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mäander und/oder der Federbalken verzweigt in die Sensormasse, das Substrat und/oder einen Anker zur Befestigung an dem Substrat übergeht. Spannungsspitzen in den Übergangsstellen werden hierdurch zusätzlich reduziert. Die lineare Auslenkung der Biegefedereinrichtung wird somit unterstützt.
Weist der Mäander und/oder der Federbalken eine elliptische Biegung oder eine bauchartige Aus- bzw. Einwölbung auf, so unterstützt dies ein Biegeverhalten, welches Spannungsspitzen auch in extremen Situationen, wie beispielsweise mechanische Schocksituationen, reduziert. Beschädigungen des Sensors werden hierdurch ganz erheblich vermieden. Das lineare Biegungsverhalten der Biegefedereinrichtung verbessert die Signalauswertung des Sensors.
Vorteilhafterweise ist der Mäander außermittig des Federbalkens, insbesondere näher an bewegten Bauteilen als an der stationären Verankerung der Biegefedereinrichtung angeordnet. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Längen des Federbalkens auf der einen und der anderen Seite des Mäanders. Je nach Einsatzfall und der gewünschten Biegesteifigkeit ist die Länge des jeweiligen Federbalkenabschnitts zu wählen. Es hat sich allerdings erwiesen, dass insbesondere bei einem stationären und einem bewegten Teil, oder bei der Verbindung eines weniger bewegten mit einem stärker bewegten Bauteils, der Mäander näher an dem stärker bewegten Bauteil angeordnet sein soll. Der zwischen dem Mäander und dem stärker bewegten Bauteil vorhandene Federbalkenabschnitt soll somit kleiner sein als der Abschnitt, der dem weniger stark oder stationär vorgesehenen Bauteil zugewandt ist.
Vorzugsweise ist der Abstand der Balken des Mäanders geringer als der Abstand der beiden Federbalken. Bei einer derartigen Gestaltung hat sich herausgestellt, dass eine besonders hohe Linearität der Biegefedereinrichtung zu erzielen ist. In jedem Fall muss sichergestellt werden, dass bei einer starken Biegung der Biegefedereinrichtung eine Berührung der einzelnen Federbalken vermieden wird. Eine derartige Berührung würde zu Beschädigungen und einer starken Störung der Linearitätsanforderung der Biegefedereinrichtung führen.
Ist der Abstand der beiden Federbalken ein Mehrfaches der Breite der Federbalken, so ist vorteilhafterweise bewirkt, dass eine Biegefedereinrichtung geschaffen wird, welche sehr elastische, einzelne Biegebalken aufweist und dennoch eine relativ hohe Gesamtsteifigkeit hat. Darüber hinaus wird eine Berührung der einzelnen Federbalken durch den großen Abstand auch vermieden.
Vorteilhafterweise ist die Länge der beiden Federbalken größer als die Länge der Balken des Mäanders. Hierdurch wird bewirkt, dass die wesentliche Biegebewegung der Biegefedereinrichtung durch die Federbalken selbst erfolgt. Durch den Mäander wird lediglich eine Ausgleichsstruktur geschaffen, um die Linearität der Biegefedereinrichtung zu unterstützen.
Sind die Federbalken des Doppelfederbalkens und/oder die Balken des Mäanders symmetrisch ausgebildet, so wird eine gleichmäßige Biegung der Biegefedereinrichtung nach beiden vorgesehenen Richtungen gewährleistet. Andererseits kann eine einseitige Biegung vorgesehen werden durch eine asymmetrische Ausbildung der Biegefedereinrichtung.
Um eine besonders harmonische und gleichmäßige Biegung ohne Spannungsspitzen auf einzelne Teile der Biegefedereinrichtung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Mäander einen Krümmungsradius mit einem inneren Mittelpunkt aufweist. Der Krümmungsradius soll dabei möglichst groß sein um eine geringe Krümmung des Mäanders zu erhalten. Hierdurch werden Spannungsspitzen im Bereich der Wendungen oder Umlenkungen der Feder reduziert.
Weist der Mäander zumindest einen weiteren Krümmungsradius mit einem Mittelpunkt außerhalb des Mäanders auf, so dass der Mäander bauchförmig eingebogen ist, so wird hier ein besonders harmonischer und gleichmäßiger Übergang geschaffen, welcher ebenfalls zur Reduktion von Spannungsspitzen beiträgt.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung mit großem Mäander,
2 eine ausgelenkte Biegefedereinrichtung gemäß 1,
3 eine erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung mit kleinem Mäander,
4 eine ausgelenkte Biegefedereinrichtung gemäß 3,
5 eine Biegefedereinrichtung mit Mäander in Nähe des bewegten Teiles,
6 eine ausgelenkte Biegefedereinrichtung gemäß 5,
7 eine Biegefedereinrichtung mit gerundeten Übergängen und
8 eine Biegefedereinrichtung mit mehreren Mäandern.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung 1, welche zwei parallel zueinander verlaufende Federbalken 2 aufweist, wobei an jedem der Federbalken 2 jeweils ein Mäander 3 angeordnet ist. Die Biegefedereinrichtung 1 ist an ihrem einen Ende an einem Anker 4 auf einem Substrat 5 befestigt. Das andere Ende der Biegefedereinrichtung 1 ist an einer Masse 6 angeordnet, welche parallel zu dem Substrat 5 um den Anker 4 herum ausgelenkt bzw. gebogen wird. Die Biegung erfolgt entweder als Primärschwingung der Masse 6 um den Anker 4 oder aber, wenn es sich um eine Sensormasse handelt, als eine Auslenkung aufgrund einer auftretenden Coriolis- oder Beschleunigungskraft. Die Federbalken 2 und der Mäander 3 sind in ihrem Querschnitt senkrecht zur Zeichenebene derart ausgebildet, dass sie eine Biegung der Federbalken 2 und des Mäanders 3 in der Zeichenebene in kontrollierter Weise zulassen. Eine Beweglichkeit aus der Zeichenebene heraus ist je nach Anforderungen an die Masse 6 entweder durch eine entsprechend stabile Ausbildung der Federbalken im Wesentlichen unterbunden oder durch eine entsprechende Gestaltung kontrolliert ermöglicht. Wesentlich für die hier vorliegende Erfindung ist die Beweglichkeit der Masse 6 innerhalb der Zeichenebene.
Um zur Lösung der Aufgabe möglichst hohe Linearität der Biegung der Biegefedereinrichtung 1 zu erzielen, sind die beiden Federbalken 2 und die beiden Mäander 3 vorgesehen. Hierdurch wird die Biegefedereinrichtung 1 in die Lage versetzt, sich bei einer Auslenkung um den Anker 4 bis zu einem maximalen vorbestimmten Auslenkweg weitgehend linear zu verhalten. Das bedeutet im vorliegenden Fall, dass ein auf die Masse 6 einwirkendes, senkrecht zur Zeichenebene stehendes Drehmoment immer eine gleich große rotationsartige Winkelauslenkung der Masse 6 innerhalb der Zeichenebene bewirkt, unabhängig davon, wie stark ausgelenkt die Masse 6 innerhalb der Zeichenebene bereits ist. Die Federkennlinie – Winkelauslenkung gegenüber einwirkendem Drehmoment – der Biegefedereinrichtung 1 ist somit über diesen vorbestimmten maximalen Biegeweg weitgehend konstant. Der Rückschluss, der aus dem zurückgelegten Weg der Masse 6 auf das einwirkende Drehmoment und/oder auf eine entsprechende Beschleunigung oder Drehrate zu ziehen ist, wird durch die Linearität der Bewegung wesentlich vereinfacht und führt zu deutlich besseren Messergebnissen.
Bei der Ausführung der 1 ist der Mäander 3 leicht bogenförmig ausgeführt. Er weist eine große Längserstreckung mit der Länge L₃ weg von dem ihm zugeordneten Federbalken 2 auf. Die Abschnitte der Federbalken 2 zwischen dem Anker 4 und dem Mäander 3 sowie zwischen dem Mäander 3 und der Masse 6 sind mit den Längen L₁ und L₂ etwa gleich lang ausgeführt. Die Biegefähigkeit der Federbalken 2 ist hierdurch in diesen Abschnitten ebenfalls sehr groß.
2 zeigt eine ausgelenkte Biegefedereinrichtung 1. Dabei ist ersichtlich, dass sich die beiden parallel verlaufenden Federbalken 2 unterschiedlich biegen. Die Mäander 3 sind kürzer als bei 1 und werden ebenfalls unterschiedlich gebogen. Der in der 2 unten angeordnete Mäander 3 wird dabei leicht zusammengedrückt, während der obere Mäander 3 leicht gedehnt wird. Insgesamt wird dadurch über den Auslenkungsbereich, der für die Biegung der Biegefedereinrichtung 1 vorgesehen ist, bereits eine sehr gute Linearisierung der Auslenkung erzielt.
In 3 ist eine abgewandelte Ausführung der 1 dargestellt. Wiederum verlaufen die beiden Federbalken 2 weitgehend parallel zueinander. Die an dem jeweiligen Federbalken 2 angeordneten Mäander 3 sind kürzer als in der Ausführung gemäß 1. Außerdem befinden sie sich näher an dem fest auf dem Substrat 5 angeordneten Anker 4. Die Biegecharakteristik der Biegefedereinrichtung 1 ist damit unterschiedlich zu der aus 1 und 2. Je nach Anforderung im Einzelfall kann durch eine Variation der Anordnung der Mäander 3 an dem Federbalken 2 sowie der Ausbildung der Länge des Mäanders 3 die Härte der Biegefedereinrichtung 1 und die Linearität der Biegefedereinrichtung 1 beeinflusst werden.
Sowohl bei der Ausführung nach 1, als auch bei der Ausführung nach 3 ist der Abstand a der Arme des Mäanders 3 geringer als der Abstand A der Federbalken 2. Wesentlich bei der Wahl der Abstände a und A ist insbesondere die Forderung, dass zu vermeiden ist, dass sich bei der maximal vorgesehenen Biegung der Biegefedereinrichtung 1 die Arme des Mäanders 3 oder die Federbalken 2 berühren und somit zu Beschädigungen bzw. fehlerhaften Messergebnissen führen.
In 4 ist die Auslenkung der Biegefedereinrichtung 1 der 3 dargestellt. Auch hier ist ersichtlich, dass der in der vorliegenden Darstellung unten eingezeichnete Mäander 3 zusammengedrückt wird, während der oben dargestellte Mäander 3 leicht auseinander gezogen wird. Die Biegelinie der Federbalken 2 unterscheidet sich auch ganz deutlich von der Biegelinie der Federbalken 2 aus 2. Durch die Anordnung der Mäander 3 näher an dem Anker 4 erfolgt eine stärkere Biegung des Abschnitts des Federbalkens 2, welcher sich zwischen Anker 4 und Mäander 3 befindet. Der Abschnitt des Federbalkens 2 zwischen dem Mäander 3 und der Masse 6 wird hingegen weniger stark gebogen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Biegefedereinrichtung 1. Hier sind die Mäander 3 näher an der bewegten Masse 6 angeordnet. Der Abschnitt des Federbalkens 2 zwischen dem Anker 4 und dem Mäander 3 ist dabei deutlich länger als der Abschnitt zwischen dem Mäander 3 und der Masse 6.
Gemäß der Darstellung der 6 ist eine Biegung nach oben gezeigt. Wiederum biegt sich einer der Mäander 3 zusammen, während der andere Mäander 3 auseinandergezogen wird. Die Druckspannung auf den Mäander 3 erfolgt dabei ebenso wie bei den anderen Ausführungsbeispielen an dem Mäander 3, welcher in Biegerichtung angeordnet ist.
Aus den 1 bis 6 ist ersichtlich, dass die Anordnung der Mäander 3 an den Federbalken 2 zu unterschiedlichen Biegecharakteristiken der Biegefedereinrichtung 1 führen können. Je nach Anforderung, die an die Biegefedereinrichtung 1 gestellt wird, kann durch die Anordnung der Mäander 3 die Federcharakteristik und Linearität der Feder beeinflusst werden. Die Biegefedereinrichtung 1 wird dadurch härter oder weniger hart bzw. linearer oder weniger linear ausgebildet. Ziel ist es in jedem Fall, entweder eine möglichst lineare Feder, oder eine Feder mit genau einstellbarer nichtlinearer Charakteristik innerhalb des maximal vorgesehenen Biegebereichs zu erhalten.
In 7 ist eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführung einer Biegefedereinrichtung 1 dargestellt. Die Übergänge der Federbalken 2 in die daran anschließenden Bauteile wie beispielsweise Anker 4 und Masse 6 sind gerundet ausgeführt. Auch die Mäander 3 weisen Rundungen auf. Die Rundungen sind teils Schmiegekurven an Krümmungskreise mit konstantem Radius oder mit veränderlichem Radius. Die Mäander 3 weisen Einbeulungen auf, wodurch an der Wendestelle ein relativ großer Krümmungskreis und damit eine geringe Krümmung der Feder an dem Mäander 3 erhalten wird. Spannungsspitzen an den Übergängen sowie innerhalb der einzelnen Federabschnitte werden hierdurch reduziert. Beschädigungen der Biegefedereinrichtung 1 können dadurch auch bei Schockeinflüssen verhindert werden. Außerdem dienen diese abgerundeten Übergänge auch einer gleichmäßigeren und damit lineareren Biegung der Biegefedereinrichtung 1.
In 8 ist eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Biegefedereinrichtung 1 weist wiederum zwei parallel verlaufende Federbalken 2 auf. An jedem Federbalken 2 sind zwei Mäander 3 angeordnet. Die Übergänge von den Federbalken 2 in die Mäander 3 sowie an der Wendestelle in dem Mäander 3 sind mit kleiner Krümmung ausgeführt, das heißt es sind relativ große Krümmungskreise vorgesehen, an welchen sich die Biegefedern anschmiegen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können beispielsweise die beiden Federbalken 2 mehr oder weniger leicht konisch aufeinander zu laufen. Im Übrigen sind Ausführungen von der Erfindung erfasst, welche unter den Wortlaut der geltenden Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

1: Biegefedereinrichtung
2: Federbalken
3: Mäander
4: Anker
5: Substrat
6: Masse
a: Abstand Mäander
A: Abstand Federbalken
L: Länge

Claims

Mikromechanischer Sensor mit einem Substrat (5) und zumindest einer an dem Substrat (5) mit einem Anker (4) befestigten und sich relativ und parallel mit einer rotationsartigen Winkelauslenkung zu dem Substrat (5) bewegenden Masse (6) zur Ermittlung von Bewegungen des Sensors auf Grund einer dabei auftretenden Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft, wobei die Masse (6) und das Substrat (5) mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung (1) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefedereinrichtung (1) zur Verbesserung ihrer linearen Federcharakteristik einen Mehrfach-, insbesondere einen Doppelfederbalken (2), sowie an zumindest zwei, vorzugsweise jedem Federbalken (2) mindestens einen Mäander (3) aufweist, dass zumindest zwei der Federbalken (2) zwischen dem Anker (4) und der Masse (6) im Wesentlichen parallel verlaufen und der Mäander (3) eine Längserstreckung weg von dem ihm zugeordneten Federbalken (2) aufweist, so dass während der relativen Bewegung von der Masse (6) und dem Substrat (5) ein Mäander (3) zusammengedrückt und ein weiterer Mäander (3) gedehnt wird.
Sensor nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) verrundet in den Federbalken (2) übergeht.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Federbalken (2) verrundet in die Masse (6) oder das Substrat (5) oder einen Anker (4) zur Befestigung an dem Substrat (5) übergeht.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verrundete Übergang einen im Verlauf nicht konstanten Krümmungsradius aufweist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verrundete Übergang elliptisch ist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Federbalken (2) verzweigt in die Masse (6) oder das Substrat (5) oder einen Anker (4) zur Befestigung an dem Substrat (5) übergeht.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) und/oder der Federbalken (2) eine elliptische Biegung aufweist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) außermittig des Federbalkens (2), insbesondere näher an bewegten Bauteilen als an der stationären Verankerung der Biegefedereinrichtung (1) angeordnet ist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) der Balken des Mäanders (3) geringer als der Abstand (A) der beiden Federbalken (2) ist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) der beiden Federbalken (2) ein Mehrfaches der Breite der Federbalken (2) ist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L₁ + L₂) der beiden Federbalken (2) größer als die Länge (L₃) der Balken des Mäanders (3) ist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federbalken (2) des Doppelfederbalkens (2) und/oder die Balken des Mäanders (3) symmetrisch verlaufen.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) einen Krümmungsradius mit einem inneren Krümmungsmittelpunkt aufweist.
Sensor nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) zumindest einen weiteren Krümmungsradius mit einem Krümmungsmittelpunkt außerhalb des Mäanders (3) aufweist.